温度控制系统技术方案

提供温度控制装置，其采用含有流动传热流体的可变面积控制元件。通过开启和关闭串联形式的导管组改变用于温度控制的元件面积，并且导管的开启和关闭依据温度受控介质中的温度测量装置进行。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Temperature control system

A temperature control device employing a variable area control element including a flow heat transfer fluid is provided. The element area for temperature control is changed by opening and closing a series of catheter groups, and the opening and closing of the catheter is performed in accordance with a temperature measurement device in a temperature controlled medium.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及温度控制系统。本专利技术更具体地涉及提供了改进温度控制的系统，其产生更快速更精确的温度控制并因此使很多工业操作更精确并节约能量。温度控制广泛用于从工业反应到空气调节再到加热和冷却系统的操作中。尽管所有这些操作都需要高能耗并且节能对其有益，但某些操作需要比其它操作更加精确的控制。大多数系统依赖于用来自温度受控介质的信号激活传热系统，此响应根据介质需要使传热元件操作或不操作。很多情况下，传热元件包括传热流体流过其中的导管。现有系统的缺点在于，除有限的操作范围以外，系统对温度变化的响应不精确，经常动作迟缓而且分辨率低。这趋向于产生没有温度控制最佳程度的曲折而且不规律的温度分布。在捷克斯洛伐克化学通讯选集(Collection Czechoslovak Chem.Comm.)(第47卷)(1982)第446至第453页的文章中，建议采用一种将一个可伸缩冷却器浸入反应混合物中的可变面积冷却表面。在反应混合物中引入冷却器用以增加冷却效果，而从混合物中缩回将导致冷却效果降低。该文章表明这一技术在某种程度上降低了反应混合物冷却或加热时的温度波动和不规则。采用这一设计难以在传热流体中产生湍流，而且还需要复杂的装置以在确保反应容器绝热并防止反应化合物泄漏的同时保证冷却元件的移动。美国专利5,762,879涉及一种热交换面积可调节的反应热量控制机构。在美国专利5,762,879中通过改变传热流体在环绕反应器的外层温度控制夹套中的高度而进行调节。以这种方法控制传热面积需要稳定的表面，这与保持传热流体高流动和高湍流的需要矛盾。这导致控制响应迟缓和传热容量降低。温度控制的质量取决于传热表面的温度能多快地上升和下降。而这又取决于热量流动阻力、热梯度以及传热流体能够多快地传送至传热表面。目前我们已经研制出能够改进上述因素并克服早期系统的问题的温度控制系统。在我们的专利申请PCT/EP02/04651，PCT/EP02/04646，PCT/EP02/04650和PCT/EP02/04648中，我们描述了用于监测和控制物理和化学反应的改进系统。这些系统涉及改进监视反应的量热数据的获取，和用所述量热数据控制反应。我们已经发现英国专利申请中的某些技术可被修改并用于在宽领域内提供改进的温度控制。因此本专利技术提供一种采用含有可变面积传热流体的控制元件的温度控制系统，其中传热元件的有效面积的改变通过开启和关闭以串联形式通过温度受控介质的导管组进行，从而允许或者阻止传热流体流入导管组，其中导管组的开启和/或关闭根据来自于温度受控介质中的温度测量装置的信号进行。本专利技术的系统允许对温度变化快速反应并且使传热表面的温度能够快速升高或降低。影响传热速率的因素是i)传热流体的湍动程度。高的湍动程度降低了传热流体在传热表面的滞留层厚度(工作侧边界层)。这产生热流动阻力较低的薄边界层。因此，为了得到低边界层阻力我们的系统采用高的传热流体速度。ii)传热流体向传热表面的输送。为了良好的温度控制，导管中的传热流体应尽可能快地进行更换。通过用新流体的活塞流代替热交换器中的流体获得最佳响应。活塞流移动得越快，响应就越快。iii)在变化的热负荷下保持工艺流体和工作流体之间高的热梯度。高的热梯度在传热表面上产生高的温度变化速率。本专利技术能够通过减少传热面积而在热负荷降低的情况下保持高的热梯度。作为示例参见下表中的两个热交换器 假设热负荷变为11kW，则随着系统调节到新的设定点热交换器A的温度过调1℃。这说明超负荷为1kW。为达到相同的1kW超热负荷，热交换器B将过调10℃。但由于其表面温度的变化速率更高(归因于更高的传热表面和传热流体之间的热梯度)热交换器B的加热速率将快得多。因此热梯度更高的较小热交换器将产生更快速的控制响应。尽管任何形式的导管均可用于热交换器，但优选为导管或盘管，下面将相对于盘管或盘管组描述本专利技术。为了高效操作，温度控制系统应具有下述特征a.优选在传热流体和需控温介质之间保持高温差。b.传热流体必须总是以合理的速度流动。速度可根据盘管尺寸和条件而改变但优选其大于0.1m/s，更优选大于1m/s。较低的速度将产生较慢的温度控制响应。c.当用于间歇工艺或者多目的任务时传热系统应该能够在宽能量释放/吸收比值范围内稳定操作。范围会根据反应本质变化。在间歇反应的情况下要求非常宽的操作范围。热交换器由多个元件组成。每个元件典型地包括一个导管或者盘管。下面是计算单个传热盘管元件尺寸的一种简化方法第一步是用载热量Q(以W表示)来为已知热交换器确定公称尺寸。例如可为一个单独的盘管选择100W的公称容量。下一步是选择传热流体通过导管的公称温降。传热流体的高温降与导管中低的流体热质量相关，这是理想的(因为它将在串联系统中的盘管关闭时快速损失热量)。例如，传热流体的公称温降可以是1℃。因此传热流体的质量流率可由下式计算Q＝m·Cp·(tsi-tso)其中Q为公称热负荷(如本实施例中的100W)m为传热流体的质量流量(kg·s-1)Cp为传热流体的比热容(kJ·kg-1·K-1)(tsi-tso)为流入的传热流体温度变化(如本实施例中的1℃)下一步是确定导管直径。为此，直径应选择使其得到一个可接受的压降。优选高的压降因为它们同湍流以及快速控制响应联系在一起。传热流体流量m(kg·s-1)能从流率对压降的曲线估计得到。实际中这一步骤需要将是迭代的，因为该阶段中真正的长度(以及由此产生的总压降)未知而且必须使用假设值。下一步是利用下式确定盘管面积Q＝U·A·LMTD其中Q为公称工艺负荷(本实施例中为100W)U为总传热系数(W·m-2·K-1)A为传热面积(m2)LMTD为工艺流体和传热流体之间的对数平均热差(K)总传热系数(U)可由测量数据计算或获得。LMTD由下式计算LMTD＝/ln其中，Tp为工艺温度Tsi为传热流体入口温度Tso为传热流体出口温度已知盘管的面积和直径能够用简单的几何学计算出长度。此时应该对照真实的长度核对压降。如果压降过高或过低，应选择新的管径并再次计算。然后此信息可用于确定单个盘管最佳的直径对长度的关系，从而实现高湍流而不致引起传热流体通过热交换器的过度压降(如高的雷诺数所示)。本专利技术的系统优选a.传热流体的线速度必须合理地高(优选＞0.1m·s-1)以保持令人满意的控制响应和良好的总传热系数。b.传热流体通过盘管流动的压降为0.1～20bar。实际上，最优的盘管长度将根据所采用的温差和系统的热力学和物理学特性而变化。计算最优盘管长度是一个迭代过程。将采用以低热导率流体为基础的保守数据以及反应流体与传热流体间的低温差来确定通用设备的尺寸。每个盘管将具有一个有限的操作范围。在优选系统中，传热设备能够在宽能量释放范围内稳定操作，此系统应使得传热面积可根据特定负荷的需要而改变。这可方便地通过如下方式完成提供多个传热导管，每个导管具有设计的直径和长度关系以提供确定程度的传热。在优选的多管系统中，根据系统指令的需要可以将盘管投入或者停止操作。本专利技术的系统可参考附图所示的化学反应器进行说明，其中附附图说明图1是带有单一传热盘管(特定直径)反应容器的简要说明。附图2是带有三个传热盘管以提供可变传热的对比反应器的简要说明。附图1是反应器(1)的简要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度控制系统，其采用含有流动传热流体的可变面积控制元件，其中可利用面积的改变通过开启和闭合串联形式的导管组进行，导管的开启和关闭依据温度受控介质中的温度测量装置进行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R阿什，D莫里斯，
申请(专利权)人：阿什莫里斯有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]