kontemirov

155

Рис. 249. Регулирование температуры жидкости в схеме с банпасироваиием потока вокруг теплообменника:

1 — регулятор температуры жидкости на выходе из теплообменника, 2 —регулятор температуры жидкости после смешения

РисПринципиальная схема испарителя

что он относится к многосвязным объектам. Действительно, увеличение расхода греющего пара приводит к более интенсивному испарению, что вызывает одновременно уменьшение уровая и повышение давления в аппарате. Аналогично изменение отбора пара Gn влияет не только на давление в аппарате, но и на интенсивность испарения продукта, а следовательно, и на уровень жидкости. На рис. 2.51 показана структурная схема испарителя, отражающая взаимосвязь между координатами. Динамические характеристики объекта по отдельным каналам аппроксимируются линейными звеньями.

Звено 1 с передаточной функцией

отражает динамику собственно теплового процесса и учитывает тепловые емкости межтрубного пространства и. испаряющейся внутри труб жидкости.

Рис. 2.51. Структурная схема системы регулирования уровня и давления в испарителе. ,

/—звено, описывающее тешювой процесс в жидкости. 2 — звено. отражающее гидродинамику в жид-коП фазе, 3 — звено, отряжающее гидродинамику в паровой фазе; 4

— звено, учитывающее влияние дав - , ления на теплоту испарения жидкости. S —регулятор давления, * — регулятор уровня

156

РисПримеры систем автоматизации испарителей:

а —на основе одноконтурных АСР, б —с использованием каскадной АСР уровня, в —с использованием комбинированной АСР уровня, / — регулятор давления, 2 —регулятор уровня, 3 — регулятор соотношения расходов, 4 — вычислительное устройство

Звенья 2 я 3 с передаточными функциями

учитывают гидродинамику процессов в жидкой и паровой фазах. Усилительное звено 4 отражает зависимость теплоты испарения жидкости от давления в аппарате.

Рассмотрим несколько вариантов систем регулирования испарителей и конденсаторов. •

-, Вариант! (рис. 2.52, а) включает два замкнутых контура регулирования: регулятор 5 стабилизирует давление в аппарате, частично компенсируя возмущения по каналу Р—гж— G'n—Lx; регулятор уровня 6 обеспечивает поддержание материального баланса в аппарате по технологическому потоку.

Вариант 2 (рис. 2.52,6) отличается от предыдущего при-s менением каскадной системы регулирования соотношения рас-;'ходов греющего пара и жидкости бгр/0ж=у с коррекцией у по уровню жидкости. Регулятор соотношения 3 вводит статическую компенсацию возмущений по расходу жидкости, поэтому данная система регулирования предпочтительнее при сильных возмущениях по этому технологическому параметру. 4' Вариант 3 (рис. 2.52,в) служит примером системы регулирования, в которой расход греющего пара рассчитывается в вы-''Числительном устройстве 1 по контролируемым возмущениям (С/ж, 0ж, 6гр) и корректируется регулирующим устройством 2 •при отклонении уровня от заданного значения.

Рассмотрим кожухотрубные теплообменники с неизменяемым агрегатным состоянием веществ. Динамические характеристики этой группы теплообменников описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, включающей уравнения (2.66), (2.67) и уравнение теплового баланса для

157

где Мг и СрТ — масса и удельная теплоемкость теплоносителя; знак плюс в левой части уравнения относится к прямоточным теплообменникам, минус — к протнвоточным.

Задача регулирования и основные возмущения аналогичны рассмотренным выше для паровых теплообменников. В качестве регулирующих воздействий (рис. 2.53) выбирают входную температуру теплоносителя 6ТВХ или его расход GT.

Передаточные функции теплообменника по температурным каналам 6Вх—6Вых и 0ТВХ— 0Вых могут быть получены методом, рассмотренным в предыдущем разделе [20].

Аналитическое определение динамических характеристик теплообменника по каналам, связывающим расходы теплоносителей с выходной температурой, — сложная задача, так как в этом случае в уравнениях (2.66) и (2.80) коэффициенты v, ит, at и 02 зависят от входной координаты. Поэтому на практике ограничиваются приближенными передаточными функциями, которые получают по экспериментальным кривым переходных процессов. Наибольшая постоянная времени, получаемая при аппроксимации переходных кривых, приблизительно равна постоянной времени, которая определяется тепловой емкостью потока жидкости и общим коэффициентом теплопередачи [60].

Системы регулирования жидкостных и газовых теплообменников аналогичны системам регулирования паровых теплообменников, в которых греющий пар заменен потоком жидкости или газа.

2.4.3. Регулирование печей

В химико-технологических процессах печи используют для нагрева технологического потока до высоких температур за счет теплоты сгорания топлива. В зависимости от конструкции печи передача тепла осуществляется путем радиации или конвективным теплообменом между дымовыми газами и технологическим потоком. В качестве примера рассмотрим печь, в которой технологический поток, проходящий по трубам, нагревается дымовыми газами, образующимися при сгорании топлива (рис. 2.54, а).

Задачей регулирования является поддержание заданного значения выходной температуры потока: 6Вых =

21) Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1.Математическое описание статики кожухотрубного теплообменника.

2.Информационная схема объекта управления.

3.Типовая схема автоматизации.

4.Схема парожидкостного теплообменника.

5.Математическое описание статики парожидкостного теплообменника.

6.Информационная схема объекта управления.

Рисунок 1 - Схема кожухотрубного теплообменника с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ

Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры θвых с помощью теплоносителя Gт с неизменяющимся агрегатным состоянием.

Показатель эффективности: θвых.

Цель управления: поддержание θвых= θзд. Математическое описание на основе физики процесса.

Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных θтвх, θтвых, θвых, θвх.

; (3а)

; (3б)

; (4а)

. (4б)

Эффективное время пребывания:

. (5)

Математическое описание на основе теплового баланса. Уравнение динамики:

. (6)

Уравнение статики при :

. (7)

На основании (6) и (7) можно принять:. (8)

Рисунок 2 - Информационная схема объекта

·Возможные управляющие воздействия:.

·Возможные контролируемые возмущения: .

·Возможные неконтролируемые возмущения: .

·Возможная управляемая переменная: .

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим qвых в явном виде:

. (13)

·Статическая характеристика линейна по каналам: .

·Статическая характеристика нелинейна по каналу .

Рисунок 3 - Типовая схема автоматизации кожухотрубного теплообменника Типовое решение автоматизации.

Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты.

1. Регулирование.

· Регулирование температурыпо подаче теплоносителя Gт - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.

2. Контроль.

·расходы - Gт, G;

·температуры - ;

·давление - Рт, Р. 3. Сигнализация.

·существенные отклонения qвых от задания;

·резкое падение расхода технологического потока G¯ , при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя Gт.

Рисунок 4 - Схема парожидкостного теплообменника (с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя)

Технологический поток (нагреваемая жидкость) Gж подается по трубкам теплообменника. Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) Gп подается по межтрубному пространству.

·Показатель эффективности:.

·Цель управления: поддержание . Математическое описание на основе физики процесса. Теплопередача от паровой фазы теплоносителя:

. (14)

Теплопередача от жидкой фазы теплоносителя:

, (15)

где: - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата теплоносителя в единицу времени, дж/с;

- коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя,

дж/(м2*К°*с);

- поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, м2;

- средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.

· Общая тепловая нагрузка парожидкостного теплообменника:

. (16)

·Так как , то интенсивность теплопередачи от паровой фазы значительно выше, чем от конденсата.

·Поэтому на величину Q влияет величина соотношения Fп /Fк, которая зависит от уровня конденсата:

. (17)

где и . (18)

· На основании (17) общая тепловая нагрузка Q также будет зависеть от уровня конденсата hк:

. (19)

· Q(дж/с) позволяет определить Gпэфф и Gжэфф на основе тепловых балансов:

; (20)

; (21)

; (22)

, (23)

при hк =hэфф.

· Эффективное время пребывания:

. (24)

Тепловой баланс парожидкостного теплообменника. Уравнение динамики:

Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается :

.

Уравнение статики при :

. (25)

Материальный баланс по жидкой фазе для межтрубного пространства. Уравнение динамики:

, (26)

Уравнение статики при : , (27)

и предпочтительное управляющее воздействие – Gк. Материальный баланс по паровой фазе для межтрубного пространства. Уравнение динамики:

, (28)

где Мп - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль; Рп - давление паровой фазы теплоносителя, Па;

qп - температура паровой фазы теплоносителя, К, Vп - объем паровой фазы теплоносителя, м3 .

Уравнение статики при : . (29)

и предпочтительное управляющее воздействие - Gп.

Рисунок 5 - Информационная схема объекта

·Возможные управляющие воздействия:.

·Возможные контролируемые возмущения: .

·Возможные неконтролируемые возмущения: .

·Возможные управляемые переменные: .