Лекция №11 Автоматизации испарителей

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Математическое описание статики испарителя.

2. Информационная схема объекта управления.

3. Типовая схема автоматизации.

Рисунок 1 - Схема испарителя (кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя и технологического потока)

Показатель эффективности: h_ж - уровень жидкой фазы в трубках испарителя.

Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.

1. Общая тепловая нагрузка испарителя Q:

. (1)

2. На основании уравнения теплопередачи можно записать:

и . (2)

При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы соотношения:

и . (3)

3. Общая поверхность теплопередачи F_т при конденсации греющего пара определится как:

F_т= F_п + F_к, (4а)

и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать:

. (4б)

4. Определение на основании теплового баланса по греющему пару:

=G_гр *r_гр; (5а)

= . (5б)

5. Определение на основании теплового баланса по технологическому потоку:

; (6а)

. (6б)

Выводы из математического описания физики процесса:

· Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его параметров:

. (7)

· Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет следующие его параметры:

и ; (8)

. (9)

Математическое описание на основе теплового и материальных балансов процесса.

Тепловой баланс испарителя.

Уравнение динамики:

В развернутом виде при условии и :

, (10а)

· т.е. тепло выделяется за счет охлаждения G_гр от исходной температуры q_гр до температуры насыщенного пара , конденсации пара и последующего охлаждения конденсата до q_к.

· тепло расходуется на нагревание G_ж до температуры , испарение жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.

В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду:

. (10б)

Уравнение статики при :

. (10в)

Выводы по тепловому балансу процесса:

· В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит от следующих параметров процесса:

. (10г)

· Так как температура в испарителе у поверхности раздела фаз, т.е. в зоне испарения должна быть равна температуре кипения, то можно полагать:

q = q_ж = q_п = q_кип,

а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе.

· Поэтому температура не может использоваться как показатель эффективности процесса испарения.

· Однако, на основании (6а, 6б) температура важна для обеспечения расчетной общей тепловой нагрузки Q в испарителе, т.е. теплового баланса в аппарате.

· Из выражения (10г) следует, что основными параметрами, характеризующими данный процесс, являются:

- уровень h_ж и давление Р_п технологического потока в испарителе;

- уровень h_к и давление Р_гр потока греющего пара в кипятильнике;

Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе (для технологического потока)

· Уравнение динамики:

, (11)

· Уравнение статики при :

. (12)

· На основании (11) и (12) можно считать:

. (13)

· Предпочтительное управляющее воздействие G_гр.

Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике (для конденсата греющего пара).

· Уравнение динамики:

, (14)

· Уравнение статики при :

. (15)

· На основании (14) и (15) можно считать:

. (16)

· Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата G_к.

Материальный баланс по паровой фазе для технологического потока в испарителе.

· Уравнение динамики:

, (17)

где

М_п - мольная масса паровой фазы технологического потока, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы технологического потока, Па;

q_п - температура паровой фазы технологического потока, К,

V_п - объем паровой фазы технологического потока, м³.

· Уравнение статики при :

. (18)

· На основании (17) и (18)можно считать:

, (19)

Предпочтительное управляющее воздействие G_п.

Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.

Уравнение динамики:

, (20)

где М_гр - мольная масса паровой фазы греющего пара, кг/моль;

Р_гр - давление паровой фазы греющего пара, Па;

q_гр - температура паровой фазы греющего пара, К,

V_гр - объем паровой фазы греющего пара, м³.

· Уравнение статики при :

. (21)

На основании (20) и (21) можно считать:

. (22)

Предпочтительное управляющее G_гр .

Рисунок 2 - Информационная схема испарителя

на основе материального баланса

· Возможные управляющие воздействия:

.

· Возможные управляемые переменные:

.

Рисунок 3 - Информационная схема испарителя

для типового решения автоматизации

· В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как односвязный для основных каналов управления рисунок 3.

· Однако, на основании схемы рисунка 3 объект можно рассматривать как многосвязный.

Рисунок 4 - Типовая схема автоматизации испарителей

Типовое решение автоматизации испарителей.

1. Регулирование.

· Регулирование уровня h_ж по подаче греющего пара G_гр - как показателя эффективности процесса нагревания в испарителе.

· Регулирование давления Р_п по отбору паровой фазы из испарителя - для обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации r_ж=f(P_п).

2. Контроль.

· расходы - G_гр, G_п, G_ж;

· температуры - ;

· давление - Р_гр, Р_ж Р_п;

· уровень - h_ж.

3. Сигнализация.

· существенные отклонения h_ж и Р_п от заданий;

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

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара G_гр и отбора пара для технологических нужд.

Дата добавления: 2014-01-07