Основні Методи регулювання температури та закони регулювання автоматичних регуляторів в сар температури

Передача тепла від гарячих теплоносіїв до холодних здійснюють в теплообмінних апаратах. Розрізняють теплообмінні апарати із безпосереднім змішуванням теплоносіїв і поверхневі теплообмінні апарати, в яких тепло передається через розділюючу стінку. В останніх теплопередача може протікати без зміни агрегатного стану теплоносіїв (нагрівачі, холодильники) та із зміною агрегатного стану (випарники, конденсатори).

Регулювання теплообмінників змішування полягає у підтриманні постійної температури сумарного потоку на виході _С. Вхідними величинами теплообмінника є витрати рідин на вході (F₁ та F₂) і їх температури (₁ та ₂). Якщо ₂_С₁, а також якщо питомі теплоємності і густини рідин обох потоків однакові, то залежність _С від вхідних величин знаходиться із рівняння теплового балансу:

.

На практиці, температуру суміші стабілізують шляхом зміни витрати одного із потоків. Ця класична одноконтурна схема регулювання теплообмінника змішування (побудована по аналогії до рис. 3) дає можливість реагувати на всі збурення, проте динамічна похибка регулювання досить значна, а економічність процесу регулювання - низька. Як показує практика, для таких об’єктів доцільно використовувати регулятори з ПІ-законом регулювання, а в окремих випадках навіть - ПІД. Теплообмінникам змішування властиве мале запізнення та значне самовирівнювання.

Регулювання поверхневих теплообмінників полягає в підтриманні постійної температури одного із теплоносіїв (продукту) на виході із теплообмінника. Температура продукту на виході із теплообмінника залежить від масових витрат теплоносія та продукту.

Розглянемо основні схеми регулювання температури продукту на виході з теплообмінного апарату.

Оскільки потік продукту, що нагрівається являє собою навантаження об'єкту, то для підтримання його температури на виході із теплообмінника може бути використана схема, приведена на рис.3., в якій температуру продукту на виході регулюють шляхом зміни витрати теплоносія. Дану САР доцільно застосовувати в тих випадках, коли вимоги до якості процесу регулювання є невисокими, а збурення по витраті і температурі продукту є невеликими. В таких САР, як правило, застосовують ПІ-, ПІД - регулятори, які забезпечують регулювання температури без статичної похибки.

Рис.3. Схема регулювання поверхневого теплообмінника

шляхом зміни витрати теплоносія

САР, показана на рис. 4, може бути використана в тих технологічних процесах, де допускається зміна витрати продукту. В такій системі регулювання додатково можна застосовувати систему стабілізацію витрати теплоносія, яка ліквідує збурення при зміні цієї витрати (на схемі не показано).

Рис.4. Схема регулювання поверхневого теплообмінника

шляхом зміни витрати продукту

Якщо за вимогами технології не допустима зміна витрат теплоносія та продукту, то температуру продукту на виході із теплообмінника регулюють методом байпасування, тобто шляхом перекидання частини потоку з основної лінії в обвідну і наступним змішування нагрітого і холодного потоків продукту. На рис. 5 показаний приклад САР, в якій регулююча дія здійснюється зміною витрати байпасованого потоку.

Рис.5. Схема регулювання поверхневого теплообмінника

зміною витрати продукту в байпасному трубопроводі

Рис.6. Схема регулювання поверхневого теплообмінника зміною витрати продукту в байпасному трубопроводі з допомогою двох клапанів

Оскільки переміщення регулюючого органу на байпасній лінії все ж приводить до деякої зміни витрати продукту, то при високих вимогах до стабільності витрати продукту, застосовують два мембранних регулюючих органи (нормально закритий та нормально відкритий), встановлених на байпасній лінії і на лінії нагрітого продукту після теплообмінника (рис.6).

Регулювання методом байпасування покращує динамічні властивості САР, оскільки при цьому теплообмінник виключається з системи регулювання, а об’єкт керування являє собою практично безінерційну ланку. При малому об’ємі камери змішування нагрітого і холодного потоків стала часу процесу змішування складає долі секунд.

Рис.7. Каскадна САР поверхневого теплообмінника з використанням

в якості допоміжної регульованої величини витрати теплоносія

Значне покращення якості регулювання дає застосування каскадних систем регулювання кінцевої температури продукту. В таких системах за допоміжну регульовану величину вибирають таку, зміна якої є найбільш суттєвим збуренням в процесі теплообміну. Дуже часто такою допоміжною величиною обирають витрату теплоносія (рис. 7).

Рис.8. Каскадна САР поверхневого теплообмінника з використанням

в якості допоміжної регульованої величини тиску пари

Якщо теплоносієм є пара із змінним тиском, то в якості допоміжної величини переважно використовують тиск пари (рис. 8) або тиск у міжтрубному просторі.