Характеристика тепловых процессов

Типовая схема автоматизации

Информационная схема объекта.

Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах.

Лекция №8 Автоматизация процесса перемешивания

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.

Цели перемешивания:

¨ Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

¨ Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;

¨ Интенсификация нагревания или охлаждения орабатываемых масс;

¨ Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Рисунок 1 - Основные схемы перемешивания

Механическое - перемешивание мешалками, вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.

Барботажное- перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.

Циркуляционное перемешивание- перемешивание, осуществляемое путем создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.

Объект управления - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Ссм.

Рисунок 2 - Схема объекта управления

Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Ссм.

Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании.

Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью(т.е. за заданное время).

Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.

Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества.

Материальный баланс по целевому компоненту.

Уравнение динамики:

. (1)

Уравнение статики при :

. (2)

На основании (1) и (2) можно принять:

. (3)

Материальный баланс по всему веществу.

Уравнение динамики:

. (4)

Уравнение статики при :

. (5)

На основании (4) и (5) можно принять:

. (6)

Рисунок 3 - Информационная схема объекта

· Управляемые переменные - С_см и h_см.

· Возможные контролируемые возмущения: ,

причем задано, что .

· Возможные управляющие воздействия:.

· Однако, в данном случае, G_см определяется последующим технологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестве регулирующего воздействия.

Анализ статической характеристики объекта.

Уравнение статики на основе материального баланса по целевому компоненту:

. (7)

Из уравнения (7) выразим в явном виде:

. (8)

Анализ выражения (8) показывает, что:

· Статическая характеристика линейна по каналам: ;

· Статическая характеристика нелинейна по каналам .

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации процесса перемешивания

Типовое решение автоматизации.

1. Регулирование.

· Регулирование концентрации С _см по подаче реагента G_А - как показателя эффективности процесса перемешивания с целью получения гомогенизированного раствора.

· Регулирование уровня в аппарате h_см по подаче реагента G_Б - для обеспечения материального баланса по жидкой фазе.

2. Контроль.

· расходы - G _А, G _Б, G _см ;

· концентрация - С _см;

· уровень - h_см.

3. Сигнализация.

· существенные отклонения С _см и h _см от задания;

· резкое падение расходов исходных реагентов G_А¯ или G_Б¯, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи исходных реагентов G_А, G_Б и отбора смеси G_см.

Лекция №9 Типовая схема процесса перемещения жидкости. Общая

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Математическое описание статики объекта.

2. Информационная схема объекта управления.

3. Основные законы тепловых процессов

Объект управления трубопровод

Показатель эффективности процесса - расход Q.

Цель управления процессом Q=Q_зд.

Анализ типовой схемы как объекта управления:

Рисунок 1 - Схема трубопровода как объекта управления

для типовой схемы процесса перемещения жидкости

Математическое описание статики объекта.

1. Материальный баланс для трубопровода (рис.1) на основании условия неразрывности струи:

S a *v a = S b *v b. (1)

Из (1) получим:

v a = S b *v b/ Sa. (1б)

Обозначим S b / S a = m. (1в)

2. Энергетический баланс - уравнение Бернулли:

. (2)

Где потери давления на сообщение потоку скорости:

,

потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:

,

где l = f(Re,l) - коэффициент трения.

Полное сопротивление:

.

Рисунок 2 - Информационная схема объекта управления

· Х_ро - возможное регулирующее воздействие;

· Р_a, h_a, P_b, h_b - возможные контролируемые возмущающие воздействия;

· Z - возможные неконтролируемые возмущающие воздействия.

Общая характеристика тепловых процессов

· Уравнение Клапейрона-Клаузиуса ,

где Р - давление;

r - молярная теплота фазового перехода;

Т - температура фазового перехода (испарения, плавления, возгонки);

∆V - изменение объема 1 моля вещества при переходе его из одной фазы в другую.

Связь основных параметров теплоносителей в газовой фазе.

· Закон Бойля:

P*V=const; при T=const.

· Закон Гей-Люссака:

,

или при Р=const:

,

можно также получить:

при Р=const,

или при V=const.

· Закон Авогадро: в одинаковых объемах газа при одинаковых температуре и давлении содержится одно и то же количество молекул.

· 1г-мол. любого вещества в газообразном состоянии занимает 22,4л.;

· 1кг-мол. → 22,4 м³ и содержит 6,03*10²³ молекул.

Уравнение Менделеева – Клапейрона.

для 1 г-моля газа: P*V=R*T,

для n г-молей газа: P*V = n*R*T.

Если количество газа выражается в граммах:

,

откуда: ,

или .

Тепловая нагрузка аппарата.

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем Q₁, затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя Q₂ и на потери в окружающую среду Q_пот.:

Q₁= Q₂+ Q_пот..

Так как Q_пот= 2-3%, то им можно пренебречь и считать:

Q₁ = Q₂ = Q,

где Q – тепловая нагрузка аппарата.

Уравнение теплового баланса аппарата.

Q = G₁*(I_1Н-I_1К) = G₂*(I_2К-I_2Н),

где G₁ и G₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/с;

I_1Н и I_2Н - начальные энтальпии теплоносителей, дж/кг;

I_1К и I_2К и - конечные энтальпии теплоносителей, дж/кг.

Энтальпии теплоносителей:

I_i=c_i*q_i.

Тепловой баланс аппарата при использовании теплоносителей, не изменяющих агрегатного состояния:

Q = G₁*с₁*(q_1Н-q_1К) = G₂*с₂*(q_2К-q_2Н),

где с₁ и с₂ - средние удельные теплоемкости.

Основное уравнение теплопередачи.

Q = K*F*Dt_ср*t, (1)

где

F - поверхность теплообмена;

Dt_ср - средний температурный напор;

t - время теплообмена;

К - коэффициент теплопередачи:

. (2)

Выражения для определения коэффициента К в зависимости от способа передачи тепла.

· При передаче тепла теплопроводностью К - это коэффициент теплопроводности l, определяемый на основе закона Фурье:

(3)

· При конвективном теплообмене К - это коэффициент теплоотдачи a, определяемый на основе закона Ньютона:

, (4)

· При передаче тепла путем излучения К - коэффициент взаимного излучения с_1-2 излучающих тел:

K=с_1-2 = e_пр*K₀*10⁸ = , (5)

где

К₀ - константа лучеиспускания;

e_пр = e₁ *e₂ - приведенная степень черноты;

e₁ и e₂ - степени черноты излучающих тел.

Дата добавления: 2014-01-07