Управление динамическими режимами работы теплообменного аппарата

Режимные параметры теплообменного оборудования являются переменными величинами как во времени, так и в пространстве. Такие параметры как температуры теплоносителей в разных точках аппарата имеют различные значения. Основной причиной изменения параметров во времени является воздействия возмущений на аппарат в ходе его эксплуатации. В частности отклонения входных параметров (расход, температура одного из теплоносителей) от проектных значений представляют собой возмущения на входе процесса.

Наличие возмущений может привести к нарушению условий удовлетворительного функционирования аппарата, т.е. невыполнению требований по конечным температурам теплоносителей или их агрегатному состоянию. Для исключения таких ситуаций необходима система управления, реализованная на базе контрольно-измерительных приборов и ЭВМ.

Управляющим параметром теплообменного аппарата, предназначенного для нагрева, охлаждения или конденсации одного из теплоносителей, является расход второго теплоносителя.

Одним из способов определения значений управляющего параметра является расчет динамической модели процесса. Расчет модели проводится программным путем.

Динамическая модель процесса состоит из дифференциальных уравнений, характеризующих изменение во времени температуры движущихся в теплообменнике сред, температуры теплопередающей стенки и др. [5]. Для решения уравнений могут использоваться численные методы.

Рис. 1.3. Структура системы управления теплообменным аппаратом

Рассмотрим работу теплообменного аппарата, предназначенного для нагревания технологического потока. Модель такого аппарата представлена дифференциальными уравнениями относительно температур и . Соответствующие уравнения составляются аналитическими методами на основе фундаментальных законов сохранения тепла и по виду аналогичны уравнению (1.11).

Пусть расход нагреваемой смеси на входе теплообменника заданной конструкции условно смоделирован в виде функцией времени . Требуется найти расход нагревающего агента , при котором температура нагреваемой смеси на выходе аппарата равна заданной в дискретные моменты времени ( ).

Расчет требуемого управления осуществляется системой управления (рис. 1.3). На основе измеренного значения и первого приближения расхода в начальный момент времени рассчитываются коэффициенты теплоотдачи с учетом режима течения движущихся сред по одной из формул (1.12) – (1.19). По формуле (1.6) рассчитывается коэффициент теплопередачи К. Далее интегрируются дифференциальные уравнения. В конце временного такта проверяется условие равенства температуры нагреваемой смеси на выходе аппарата заданному значению. Если условие выполняется, то переходят к расчету на следующем временном такте, иначе выбирается новое приближение в текущем такте.

При решении задачи управления конденсатором заданной конструкции, как правило, требуется определить расход охлаждающего агента с начальной температурой , при котором полностью конденсируется паровая смесь. Возмущающими параметрами являются расход и температура паровой (газовой) смеси.

Рис. 1.4. Структура системы управления конденсатором

Рассмотрим алгоритм поиска (рис. 1.4) в дискретные моменты времени ( ). Расход паровой смеси на входе теплообменника условно смоделирован в виде функции времени . Известна температура или давление конденсации паров. Т.к. температура одного из теплоносителей остается постоянной, то динамическую модель процесса представим уравнением относительно температуры охлаждающего агента на выходе аппарата . По своей структуре уравнение аналогично выражению (1.11). Температура конденсата постоянна и равна .

Условием окончания поиска на каждом такте является равенство температуры охлаждающего агента на выходе, рассчитанной из уравнений динамики, температуре, определяемой балансовым соотношением:

, отсюда .

Начальные условия интегрирования дифференциальных уравнений задаются исходя из предположения о том, что аппарат до момента возникновения возмущений функционировал удовлетворительно. В этом случае:

, (для теплообменника);

(для конденсатора).

Процедура поиска управления продолжается до достижения теплообменным аппаратом стационарного (установившегося) режима работы, при котором состояние входа и выхода аппарата неизменны во времени.