Лекция № 10 Автоматизация кожухотрубных теплообменников

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 θ^вых с помощью теплоносителя G_т с неизменяющимся агрегатным состоянием.

Показатель эффективности: θ^вых.

Цель управления: поддержание θ^вых= θ_зд.

Математическое описание на основе физики процесса.

Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных θ_т^вх, θ_т^вых, θ^вых, θ^вх.

Движущая сила процесса: , (1)

где .

Тепловая нагрузка аппарата: . (2)

Q(дж/с) позволяет определить G_т^эфф и G^эфф на основе тепловых балансов:

; (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 q^вых 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 G_т - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.

2. Контроль.

· расходы - G_т, G;

· температуры - ;

· давление - Р_т, Р.

3. Сигнализация.

· существенные отклонения q^вых 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 G_т.

Рисунок 4 - Схема парожидкостного теплообменника

(с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя)

Технологический поток (нагреваемая жидкость) G_ж подается по трубкам теплообменника. Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) G_п 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 F_п /F_к, которая зависит от уровня конденсата:

. (17)

где и . (18)

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

. (19)

· Q(дж/с) позволяет определить G_п^эфф и G_ж^эфф на основе тепловых балансов:

; (20)

; (21)

; (22)

, (23)

при h_к =h_эфф.

· 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 – G_к.

Материальный баланс по паровой фазе для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

, (28)

где М_п - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы теплоносителя, Па;

q_п - температура паровой фазы теплоносителя, К,

V_п - объем паровой фазы теплоносителя, м³ .

Уравнение статики при :

. (29)

и предпочтительное управляющее воздействие - G_п.

Рисунок 5 - Информационная схема объекта

· Возможные управляющие воздействия:.

· Возможные контролируемые возмущения: .

· Возможные неконтролируемые возмущения: .

· Возможные управляемые переменные: .

· Наиболее эффективные каналы управления:

.

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим в явном виде:

. (30)

· Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: .

· Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по G_ж.

· Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G_ж введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:

. (31)