Автоматизация тепловых процессов

Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Большинство химических реакций сопровождается тепловыми явлениями, которые составляют основу технологических процессов. Рассмотрим, в качестве примера, автоматизацию теплообменников.

Передача тепла от горячих теплоносителей к более холодным происходит в теплообменниках. Теплообменники делятся на теплообменники непосредственного смешения теплоносителей и поверхностные теплообменники, в которых тепло передается через глухую разделительную стенку. В теплообменниках непосредственного смешения теплопередача может протекать без изменения агрегатного состояния теплоносителей (нагреватели, холодильники) и с изменением агрегатного состояния (испарители, конденсаторы). Так же можно нагревать вещества в трубчатых печах топливными газами.

Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании постоянства температуры суммарного потока на выходе.

Входными величинами теплообменника являются расходы жидкостей на входе и их температуры( . Если , а также если удельные теплоемкости и плотности жидкостей обеих потоков одинаковы, то зависимость от входных величин находится из уравнения теплового баланса:

обычно стабилизируют посредством изменения расхода одного из входных потоков. Схема регулирования теплообменника смешения показана на рисунке. Теплообменники смешения обладают малым запаздыванием и значительным самовыравниванием.

Регулирование поверхностных теплообменников заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например температуры . Рассмотрим рисунок, на котором изображена схема противоточного поверхностного теплообменника и график изменения температуры теплоносителей.

Температура зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку. В свою очередь температура определяется движущей силой процесса или средним температурным напором

Величина зависит от значений температур теплоносителей на входе и выходе теплообменника и, в частности, от температуры . С возрастанием движущая сила процесса уменьшается, и наоборот. Это является свидетельством того, что поверхностные теплообменники обладают свойством самовыравнивания.

 

 

Основное уравнение теплообменника: q=KA , где К – коэффициент теплопередачи стенки; А – поверхность теплообмена.

Тепловой поток q через стенку теплоносителя выразим двумя балансовыми уравнениями

q= q= , где – удельные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, – массовые расходы. Найдем зависимость искомой относительной температуры от других величин процесса:

Полученная зависимость в виде семейства кривых приведена на рисунке, где показано влияние массовых расходов теплоносителей на температуру .

Поскольку поток нагреваемого продукта представляет собой нагрузку объекта, для поддержания постоянства температуры рекомендована схема регулирования, представленная на рисунке, по которой температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путем воздействия на расход другого теплоносителя .

Как видно из графиков, температура более чувствительна к нагрузке холодного теплоносителя, чем к расходу горячего теплоносителя. В связи с этим затрудняется качественное регулирование теплообменников в широком интервале изменения расходов теплоносителей и требуются регуляторы с дифференциальной составляющей.

Если по условиям технологии не допускается изменение потоков теплоносителей, то температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путем байпасирования части продукта и изменения его расхода.

Байпасирование одного из теплоносителей требует некоторого увеличения поверхности теплообмена и большего расхода греющего агента. Однако при этом улучшаются динамические характеристики системы регулирования, вследствие исключения теплообменника из контура регулирования и уменьшения времени запаздывания объекта.

При изменении агрегатного состояния теплоносителей их температура в теплообменнике практически не изменяется и скорость теплопередачи q можно определить по равенству:

q= r , где r - теплота фазового перехода; - массовый расход среды.

Если в качестве греющего агента применяют водяной пар, то температуру технологического продукта обычно регулируют путем изменения подачи пара (рисунок).

При значительных колебаниях давления пара применяют каскадную систему регулирования давления пара с корректировкой по температуре нагретого продукта.

Возможно также регулирование скорости теплопередачи путем поддержания постоянства температуры продукта на выходе из теплообменника клапаном, поставленным на линии отвода конденсата (рисунок).

Это приводит к частичному заполнению теплообменника конденсатом, что в свою очередь скажется на суммарной величине коэффициента передачи теплообменника, а следовательно, и скорости теплопередачи. Такая система реагирует более медленно, чем система с клапаном, установленным на линии подачи греющего пара. Ее рекомендуется применять при отсутствии резких возмущений по нагрузке. Но вместе с тем, она позволяет лучше использовать тепло водяного пара, так как значения его давления и температуры более высоки, вследствие отсутствия дополнительных гидравлических сопротивлений на паропроводе, а отводимый конденсат принимает температуру несколько меньшую, чем температура конденсации пара.

Процесс конденсации технологического продукта может быть охарактеризован температурой конденсата этого продукта при постоянном давлении или давлением пара продукта.

Непосредственное регулирование этих величин с воздействием на расход пара, являющийся нагрузкой конденсатора, не представляется возможным.

В этом случае наиболее широко применяются схемы, предусматривающие поддержание постоянства давления паров технологического продукта с воздействием на расход хладоагента или конденсата, так как контуры регулирования давления достаточно динамичны. Регулирование уровня путем отвода конденсата обеспечивает соблюдение материального баланса конденсатора.

 

По расходу хладоагента можно судить о тепловой нагрузке объекта. Изменение расхода конденсата продукта обуславливает изменение теплообменной поверхности, благодаря частичному заполнению конденсатора жидкостью. Последнее, вследствие того, что при конденсации коэффициенты передачи паров значительно выше, чем при охлаждении конденсата, приводит к изменению скорости теплопередачи. Тепловую нагрузку объекта определяют по текущему значению уровня конденсата.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: