Автоматизация технологических процессов основных химических производств

МинистерствообразованияРоссийскойфедерации

Санкт-Петербургскийгосударственныйтехнологическийинститут

(техническийуниверситет)

Кафедраавтоматизациипроцессовхимическойпромышленности

Г.В.Иванова

«Автоматизациятехнологическихпроцессов

основныххимическихпроизводств»

Методическиематериалы покурсу лекций

(в двухчастях)

Часть1.

2003г.

УДК 66-52:66(075)

ИвановаГ.В. Автоматизациятехнологическихпроцессовосновных химическихпроизводств:Методическоепособие. Часть1/ СПбГТИ(ТУ).-СПб.,2003.- 70с.

Методическоепособие предназначенодля курса лекцийпо учебнойдисциплине«Автоматизациятехнологическихпроцессовосновных химическихпроизводств»,являющейсядисциплинойспециализации210201 – «Автоматизациятехнологическихпроцессовхимическойпромышленности»учебного планапо специальности210200.

Пособиеразработанов виде методическихматериалов,используемыхпри чтениилекций по дисциплине.

Часть 1 методическогопособия включаетв себя общуюхарактеристикухимико-технологическихпроцессов (ХТП)как технологическихобъектов управления(ТОУ); методикуанализа ХТПкак ТОУ; физико-химическиеосновы технологическихпроцессов,технологическиесхемы рассматриваемыхобъектов управления,математическиеописания объектовуправления,постановкузадачи автоматизации,типовые схемыавтоматизации,типовые решенияавтоматизациидля гидромеханическихи тепловыхпроцессов.

Утвержденона заседанииметодическойкомиссии факультетаИнформатикии управления23 июня 2003г., протокол№ 6.

Материалык лекции №1

Введение.Общие подходык автоматизацииХТП.

Предметомизучения вданном курсеявляются проблемыавтоматизацииосновных химическихпроизводств.

Основныехимическиепроизводстваи составляющиеих технологическиепроцессы мырассматриваемв данном курсекакобъекты управления.

Химико-технологическиеобъекты управления.

ОпределениеТОУ:

• ТОУ - это совокупностьсовместнофункционирующихтехнологическогооборудованияи реализованногона нем технологическогопроцесса.

• К ТОУ относяткак отдельныетехнологическиеагрегатыи установки,реализующиелокальныйтехнологическийпроцесс, таки целые производства(участки, цехи).Существуют«супер-ТОУ» - установки,включающиесотни технологическихаппаратов (нанефтеперерабатывающихзаводах).

Требованияк ТОУ.

• ОборудованиеТОУ должнобыть полностьюмеханизированои должно безотказноработать вмежремонтныйпериод.

• ТОУ долженбыть управляем,т.е. разделенна определенныезоны с возможностьювоздействияна технологическийрежим в каждойиз них изменениемматериальныхи энергетическихпотоков.

• Возможностьвоздействияна характеристикиоборудования.

• Возможностьдоступа обслуживающегоперсонала кместам установкидатчиков,исполнительныхмеханизмов,регулирующихорганов.

• Число возмущающихвоздействийдолжно бытьсведено к минимуму,что возможнов результатеустановки: ресиверов;емкостей смешалками;теплообменников,уменьшающихамплитуду ичастоту изменениятаких параметров,как давление,состав, температура.

Типоваясхема технологическогопроизводства

химическихпродуктов.

• Типоваятехнологическаясхема производствасостоит изстадий подготовкисырья, химическогосинтеза, выделенияи очистки целевыхпродуктов.

Классификацияхимико-технологических

процессови производствкак ТОУ.

1. По тоннажупродукции иструктуреассортимента:

• КрупнотоннажныеТОУ- ориентированныена продукциюконкретной,фиксированнойноменклатурыс объемамивыпуска: сотни - десятки тысячтонн.

• МалотоннажныеТОУ - ориентированныена выпуск продукцииразнообразнойи быстро меняющейсяноменклатуры,с объемамивыпуска: граммы - десятки тонн.

2. По характерувременногорежимафункционирования:

• ТОУ периодическогодействия - ТОУ, в которыхаппараты (ТО)работают вциклическомрежиме, а технологическиепроцессы (ТП)представляютсобой последовательностьтехнологическихи организационныхопераций, имеющихконечнуюпродолжительность.Термину «периодическийпроцесс»,принятому вхимическойтехнологиисоответствуетобщесистемныйтермин «дискретныйпроцесс».

• ТОУ непрерывногодействия - ТОУ, в которыхаппараты работаютнепрерывно,на вход аппаратанепрерывноподаются исходныереагенты, навыходе аппаратанепрерывноотводятсявыходные продуктыа технологическийпроцесс ведетсяв установившемсярежиме.

• ТОУ полунепрерывногодействия - ТОУ,в которых аппаратыфункционируютнепрерывнотолько в пределахинтервалавремени, необходимогодля переработкиконечной порциисырья илипромежуточногопродукта. Вэтих пределахв аппаратынепрерывноподаются исходныереагенты, а свыходов - непрерывноотводятсяпродукты.Технологическиепроцессы ведутсяв установившемсярежиме. Междуинтерваламивремени работыаппараты находятсяв режиме ожидания.

3. По степениважности ТОУв производстве.

• ОсновныеТОУ - ТОУдля реализацииосновныхтехнологическихпроцессовпроизводства.К основнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля реализациистадий подготовкисырья, химическогосинтеза, разделенияи очистки целевыхпродуктов.

• ВспомогательныеТОУ - квспомогательнымТОУ относятпроцессы иоборудованиедля временногохранения исходныхреагентов,промежуточныхи конечныхпродуктов,осуществлениятранспортныхопераций.

4. По информационнойемкости ТОУ:

Степеньсложности ТОУхарактеризуетсяинформационнойсложностьюобъекта, т.е.числом технологическихпараметров,участвующихв управлении.

Таблица1

КлассификацияТОУ по информационнойемкости.

Информационная емкостьобъекта	Числопараметров,участв. в управл.	ПримерТОУ
Минимальная	10 - 40	Насоснаястанция Резиносмеситель
Малая	41 - 160	Массообменная Колонна
Средняя	161 - 650	Установкапервичнойперегонкинефти
Повышенная	651 - 2500	Производство Этилена
Высокая	2500и выше	Производство Технического углерода

5. Похарактерупараметровуправления.

• ТОУ с сосредоточеннымипараметрами - ТОУ, в которыхрегулируемыепараметры (вданный моментвремени, в разныхточках аппарата),имеют однозначениесоответствующегопараметра.

• ТОУ с распределеннымипараметрами - ТОУ, в которыхзначения параметровнеодинаковыв различныхточках объектав данный моментвремени. Большинствопроцессовхимическойтехнологииявляются объектамис распределеннымипараметрами.

• Пример:температураи концентрацияпо высотеректификационнойколонны.

6. Потипу технологическогопроцесса.

• Гидромеханическиепроцессы - процессы,осуществляющиепереносколичествадвижения.

• Тепловыепроцессы - процессыпереноса энергиив форме теплоты(теплопроводностью,конвекцией,излучением).

• Массообменныепроцессы - процессыперемещениявещества впространствеза счет разностиконцентраций.

• Механическиепроцессы - процессыпереработкитвердых материаловпод действиеммеханическихсил (их измельчениеи разделениепо фракциям).

• Химическиепроцессы - процессы,характеризующиеобразованиеновых, отличающихсяот исходныхпо химическомусоставу илистроению, веществпри сохраненииобщего числаатомов и изотопногосостава.

Методикаанализа ХТПкак ТОУ.

1. ОпределениекритерияэффективностиТОУ.

• Дляпроизводств - это, как правило,экономическиекритериимаксимизацииприбыли илиминимизациисебестоимостипродукции.

• Длятехнологическихпроцессов - это технологическиекритериимаксимизациикачества илимаксимизациивыхода целевогопродукта.

2. Разработкаматематическогоописания процессакак объектауправленияв статике идинамике.

• Приразработкематематическогоописания сложныхХТП стремятсяк созданиюнаиболее простыхмоделей.

• Строятне полные иисчерпывающиемат. модели, адостаточныедля решениязадач управления.

3. Математическоемоделированиеи исследованиестатическихрежимов ТОУ.

• Основныеметоды созданиямат. описаниядляцелей управления - аналитические;статистические(регрессионные,методы групповогоучета аргументов);модели на основенечетких методов.

• ИсследованиестатическиххарактеристикТОУ,на основаниикоторого определяют:

• Возможныедиапазоныварьированияпараметровпри управлении;

• Возможноечисло стационарныхсостоянийпроцесса;

• Анализустойчивостистационарныхсостоянийпроцесса;

• Влияниеосновных режимныхпараметровна рабочиеобласти ТОУ;

• Исследованиенелинейностикоэффициентовусиления ивозможностилинеаризациистатическиххарактеристики т.д.

4. Построениеинформационнойсхемы ТОУ.

Информационнаясхема ТОУ - этосхема, показывающаявходные и выходныепеременныеТОУ и их связи.

Построениеинформационнойсхемы возможнона основе мат.описания (приразработкеновых технологий)или на основеинформациипо эксплуатацииобъекта (примодернизациисистемы управления).

5. Анализинформационнойсхемы.

Выполняетсяанализ информационнойсхемы на предметклассификациивходных и выходныхвоздействийна следующиегруппы:

• Возможныевозмущающиевоздействия.

• Возможныеуправляющиевоздействия.

• Наиболеецелесообразныеуправляемыепеременные.

Осуществляетсявыбор возможныхканалов управления.

6. Математическоеописание динамикиТОУ.

• Составляетсямат. описаниединамики объектапо возможнымканалам управления.

• Выполняетсяисследованиединамики возможныхканалов управления.

• Выполняетсявыбор наиболеецелесообразныхканалов управления.

• Составляетсяструктурнаясхема системыуправления.

7. Выборпараметровконтроля,сигнализациии защиты.

Материалык лекции №2

Автоматизацияпроцессаперемешивания

Общаяхарактеристикапроцессовперемешиванияв жидких средах.

Перемешивание - гидромеханическийпроцесс взаимногоперемещениячастиц в жидкойсреде с цельюих равномерногораспределенияво всем объемепод действиемимпульса,передаваемогосреде мешалкой,струей жидкостиили газа (ТябинН.В.,с.95).

Целиперемешивания

• Созданиесуспензий - обеспечениеравномерногораспределениятвердых частицв объеме жидкости;

• Образованиеэмульсий, аэрация - равномерноераспределениеи дроблениедо заданныхразмеров частицжидкости вжидкости илигаза в жидкости;

• Интенсификациянагреванияили охлажденияорабатываемыхмасс;

• Интенсификациямассообменав перемешиваемойсистеме (растворение,выщелачивание).

Основныесхемы перемешивания.

Рис.1.

• Механическое - перемешиваниемешалками,вращающимисяв аппарате сперемешиваемойсредой.

• Барботажное - перемешиваниепутем пропусканиячерез жидкуюсреду потокавоздуха илигаза, раздробленногона мелкие пузырьки,которые, поднимаясьв слое жидкостипод действиемАрхимедовойсилы, интенсивноперемешиваютжидкость.

• Циркуляционноеперемешивание - перемешивание,осуществляемоепутем созданиямногократныхциркуляционныхпотоков в аппаратес помощью насоса.

Объектуправления

Объектуправления - емкостьс мешалкой,аппарат непрерывногодействия, вкотором смешиваютсядве жидкостиА (с концентрациейцелевого компонентаСа) иБ (с концентрациейцелевого компонентаСб) дляполучениягомогенизированногораствора сзаданнойконцентрациейцелевого компонентаСсм.

Схемаобъекта управления.

Рис.1.1

Показательэффективностипроцесса - концентрацияцелевого компонентав гомогенизированномрастворе (смеси) - Ссм.

Цель управленияпроцессом - обеспечениезаданной концентрациисмеси при эффективноми интенсивномперемешивании.

Эффективностьперемешиванияобеспечиваетсявыбором параметроваппарата,перемешивающегоустройства,числа оборотовмешалки, обеспечивающихравномерностьконцентрациисмеси в аппаратес заданнойинтенсивностью(т.е. за заданноевремя).

Однако вреальных условияхтехнологическиеобъекты подверженыдействию внешнихи внутреннихвозмущений,которые приводятк отклонениютехнологическихрежимов работыот расчетных.

Задачаразработкисистемы автоматизацииобеспечитьв условияхдействия внешнихи внутреннихвозмущенийв процессеэффективноеи интенсивноеего функционированиес требуемымихарактеристикамикачества.

Теоретическиеаспекты процессамеханическогоперемешивания.

• При вращениилопасти мешалкив аппаратевозникаетвынужденноедвижениежидкости, котороеописываетсякритериальнымуравнениемвида:

Eu_м= f(Re_м, Г) (1),

где

• модифицированныйкритерий ЭйлераEu_м :

2),

• модифицированныйкритерий РейнольдсаRe_м :





• геометрическийсимплекс Г:

Г=d_м/ D_апп (4),

где dм - диаметрмешалки, м;

n - скорость вращениямешалки, об /с;

• - плотностьжидкости, кг/м^3;

N_м - мощность,потребляемаямешалкой, вт;

- динамическаявязкость, Па*с;

К_N– критериймощности.

Методикарасчета конструктивно-технологическихпараметровпроцессамеханическогоперемешивания.

1. Выбираюттип мешалки,ее диаметр d_м,размеры аппаратаD_aппи H_апп.

2. ОпределяюткоэффициентСв зависимостиот размероваппарата итипа перемешивающегоустройства.

3. Определяютчисло оборотовмешалки:

   .

4. РассчитываютRe_мпо соотношению(3).

5. По графикуKN= f(Re_м)находят KN.

6. РассчитываютN_миз выражения(2):

.

7. Рассчитываютмощность Nдв,потребляемуюприводомперемешивающегоустройства:

гдеК - поправочныйкоэффициент,учитывающийконструктивныеособенностиаппарата иперемешивающегоустройства;_пер - к.п.д. передачи.

В реальнойустановкенепрерывногодействия:

т.е. необходимообеспечить:

и .

Материальныйбаланс по целевомукомпоненту.

Уравнениединамики:

(1).

Уравнениестатики при

:

(2)

Наосновании (1) и(2) можно принять:

. (3).

Материальныйбаланс по всемувеществу.

Уравнениединамики:

(4).

Уравнениестатики при

:

(5).

Наосновании (4) и(5) можно принять:

. (6).

Информационнаясхема объекта.

Рис.4.1.

• Управляемыепеременные - С_сми h_см.

• Возможныеконтролируемыевозмущения:

  ,

причемзадано, что

.

• Возможныеуправляющиевоздействия:

  .

• Однако,в данном случае,G_см определяетсяпоследующимтехнологическимпроцессом ипоэтому неможет использоватьсяв качестверегулирующеговоздействия.

Анализуравнениядинамики

наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту.

Уравнениединамики внормализованномвиде.

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияG_A– C_см:

; ;

;

.

Уравнениестатики:

(2)

Уравнениединамики вприращениях:

(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):

(3).

Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:

(4).

Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти безучета транспортногозапаздывания:

(7).

Уравнениединамики поканалу управления

во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:

(8).

Передаточнаяфункция объектапо каналу управления

:

(10),

где:

;

(11),

где V_труб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Анализуравнениядинамики

наоснове материальногобаланса повсему веществу.

Уравнениединамики:

(1)

Начальныеусловия длявывода передаточнойфункции поканалу управленияG_Б– h_см:

;

;

;

.

Уравнениестатики:

(2).

Уравнениединамики вприращениях:

(послеподстановкиначальныхусловий в выражение(1), вычитанияуравнениястатики (2) иприведенияподобных членов):

(3).

Уравнениединамики сбезразмернымипеременными:

(4).

Нормализованноеуравнениединамики объектаво временнойобласти

(7).

Уравнениединамики поканалу управления

во временнойобласти с учетомтранспортногозапаздывания:

(8).

Передаточнаяфункция объектапо каналу управления

:

(10),

где:

;

(11),

где V_труб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Анализстатическойхарактеристикиобъекта.

Уравнениестатики наоснове материальногобаланса поцелевому компоненту:

(1).

Изуравнения (1)выразим

в явном виде:

(2).

Анализвыражения (2)показывает,что:

• Статическаяхарактеристикалинейна поканалам:

  ;

• Статическаяхарактеристиканелинейна поканалам

  .

Линеаризованноепредставлениестатическойхарактеристикина основестабилизациисоотношениярасходов:

(или

):

(3).

Линеаризованноепредставлениестатическойхарактеристикичерез разложениев ряд Тейлора:

(4).

Обозначим:

Линеаризованноепредставлениеприращениявыходной переменнойчерез приращениявсех возможныхвходных переменных:

(5).

Типоваясхема автоматизациипроцессаперемешивания.

Рис.7.1.

Типовоерешение автоматизации.

1. Регулирование.

• РегулированиеконцентрацииС_смпо подаче реагентаG_А - как показателяэффективностипроцессаперемешиванияс целью получениягомогенизированногораствора.

• Регулированиеуровня в аппаратеh_смпо подаче реагентаG_Б- для обеспеченияматериальногобаланса пожидкой фазе.

2. Контроль.

• расходы - G_А,G_Б,G_см;

• концентрация - С_см;

• уровень - h_см.

3. Сигнализация.

• существенныеотклоненияС_сми h_смот задания;

• резкое падениерасходов исходныхреагентов G_Аили G_Б,при этом формируетсясигнал «В схемузащиты».

4. Системазащиты.

Посигналу «Всхему защиты» - отключаютсямагистралиподачи исходныхреагентов G_А, G_Б и отборасмеси G_см.

Материалык лекции №3

Типоваясхема процессаперемещения.Трубопроводкак объектуправления

Типоваясхема процессаперемещенияжидкости.

1.Объектуправления - схема, приведеннаяна рис.1.

Рис.1.

Иземкости 1 насосом2 по трубопроводу3 жидкостьперекачиваетсяв емкость 4.

2.Показательэффективностипроцесса - расходQ.

3.Цель управленияпроцессом Q=Q_зд.

4.Анализтиповой схемыкак объектауправления:

Основныеэлементы, подлежащиеанализу - трубопровод3 и насос 2.

Основныепараметрытрубопроводакак объектауправления.

• внутреннийдиаметр d:

,

где Q –расход,м^3/с, v - скоростьпотока, м/с.

• Скоростьпотока v = 0.5 – 2.5м/с.

• Гидравлическоесопротивлениетрубопровода:

pгс= pск+ pтр+ pмс

• потеридавления насообщениепотоку скорости:

• потеридавления напреодолениетренияпотока остенки трубопровода:

где = f(Re,l) - коэффициенттрения.

• потеридавления напреодолениеместныхсопротивлений:

pмс= мс*pск,

где мс - коэффициентместногосопротивления.

• Сопротивление,затрачиваемоена подъемжидкости навысоту h:

pпод= *g*h

• Дополнительноесопротивление:

pдоп= p2– p1

• Полноесопротивление:

• Мощность,которую необходимозатратить наперекачивание:

N = pобщ*Q/(10^3*),

= н*п*д,:

где -полныйк.п.д., насоса;н - к.п.д. насоса;п- к.п.д. передачи;

д - к.п.д.двигателя.

Схематрубопроводакак объектауправления

длятиповой схемыпроцесса перемещенияжидкости.

Рис.1.

Математическоеописание статикиобъекта.

1. Материальныйбаланс длятрубопровода(рис.1) на основанииусловия неразрывностиструи:

Sa*va= Sb*vb (1)

Из(1) получим :

va= Sb*vb/Sa (1б).

ОбозначимSb/ Sa= m (1в).

2. Энергетическийбаланс - уравнениеБернулли:

(2)

Подставимв (2) выражениедля скоростипотока в сечении«а» на основании(1б):

(3)

Подставимв (3) вместо vbего выражениеиз соотношениядля объемногорасхода в сечении«b»:

Qb= vb*Sb;

откуда

vb=Qb/ Sb:

(4)

Преобразуемвыражение (4) сучетом (1в) к виду:

(5)

Решимвыражение (5)относительноQb:

(6)

Линеаризованныевыражения мат.модели статики

наоснованииразложенияв ряд Тейлора:

1.Черезприращенияи частныепроизводные:

2.Через приращенияи коэффициентыусиления:

Информационнаясхема объектауправления.

Рис.2.

• Х_ро - возможноерегулирующеевоздействие;

• Р_a, h_a, P_b, h_b - возможныеконтролируемыевозмущающиевоздействия;

• Z - возможныенеконтролируемыевозмущающиевоздействия.

Математическоеописание динамикиобъекта.

• Структурнаясхема объекта.

Рис.3

• Уравнениединамики:

(1).

• Уравнениестатики:

(2).

• Уравнениединамики вовременнойобласти наоснове методабезразмерныхпеременных:

(3).

• Уравнениединамики сучетом запаздывания:

(5).

• Передаточнаяфункция длявыражения (5)будет иметьвид:

(6),

где

.

Материалык лекции №4

Автоматизацияцентробежныхнасосов

Основныепоказателиработы насосов

• Производительность,или подача, Q(м³/ceк)- объем жидкости,подаваемойнасосом внагнетательныйтрубопроводв единицу времени.

• НапорН (м) - удельнаяэнергия, сообщаемаянасосом единицевеса перекачиваемойжидкости.

(1)

где чл.1 - высота подъемажидкости внасосе;

чл.2 - разностьпьезометрическихнапоров;

чл.3 - разностьдинамическихнапоров.

• Полезнаямощность Nn - это мощность,затрачиваемаянасосом насообщениежидкости энергии:

(2).

• Мощностьна валу насосаN_e– это отношениеполезной мощностиNnк к.п.д. насоса:

(3).

• Коэффициентполезногодействия насосаη_н

(4).

где η_v= Q/Q_Т - объемныйк.п.д.;

- гидравлическийк.п.д.

η_мех - механическийк. п. д.

• Основнаяцель управлениянасосами- обеспечитьэффективнуюработу насосана сеть.

• Насосы какобъекты управленияклассифицируютсяпо принципудействия на:

• центробежные;

• поршневые.

Схемацентробежногонасоса.

1. - корпус;

2. - рабочееколесо;

3. - привод насоса;

4. - линия всасывания;

5. – патрубокнагнетания.

Рис.1.

• Принципдействияцентробежныхнасосов - основанна созданиицентробежныхполей давленияпри вращениирабочего колесав жидкости.

• Работасхемы.

• В корпусе1 вращаетсярабочее колесо2 от привода3.

• При этомзалитая в корпусжидкость такжевращается ивозникаетцентробежноеполе давлений

• с максимальнымдавлением напериферии(давление Р5)иминимальнымдавлением пооси потока(давление Р4)т.е. создаетсяР₄5.

• Поэтомуподача жидкостиосуществляетсячерез патрубок4, а нагнетание– через патрубок5.

Основныехарактеристики

центробежныхнасосов.

Рис.4.1.

1. Зависимостьнапора отпроизводительности - Н=f₁(Q);

2. Зависимостьмощности навалу насосаот производительности - N_е= f₂(Q);

3. Зависимостьк.п.д. насосаот производительности: _н=f(Q).

• Характеристикинасоса получают:

• в ходеспециальногоэксперимента;

• на основеосновногоуравненияЭйлера дляцентробежныхмашин.

Работанасосов насеть.

Рис.5.1.

• Характеристиканасоса: Н_н=f(Q_н );

• Характеристикасети: Н_с=f(Q_с );

• Аналитическоевыражение длянапора в сети

Н_с=Н_г+ k*Q²;

где Н_г - геометрическаявысота подачи;

k*Q²=h_п - потеринапора в сети

()А - рабочая точка,обеспечивающаямаксимальнуюпроизводительностьнасоса Q₁при работе наданную сеть.

Совместнаяработа насосов

припараллельномсоединении.

Рис.6.1.

• Для построенияобщей характеристикиустановкисуммируютпроизводительностинасосов.

• Параллельноевключениенасосов используют:

• для увеличенияпроизводительностинасосной установки;

• когдахарактеристикасети являетсядостаточнопологой;

• увеличениенапора приэтом незначительно.

Совместнаяработа насосов

припоследовательномсоединении.

Рис. 6.2.

• Для построенияхарактеристикиустановкисуммируютнапоры насосов.

• Последовательноевключениенасосов используют:

• для увеличениянапора насоснойустановки;

• когда характеристикасети являетсядостаточнокрутой;

• увеличениепроизводительностипри этом незначительно.

Схемарегулированияна основестабилизацииQ_н=Q_с

(методдросселирования).

Рис.7.1

• Стабилизацияподачи методомдросселированияосуществляетсяна линии нагнетания.

• УстановкаР.О. перед насосомнедопустима,т.к. это ведетк снижениюдавления внасосе и способствуетвозникновениюкавитации(колебательногорежима).

• Применениесистемы целесообразнопри

  .

Характеристикиработы на сеть

прирегулированииподачи насосаметодом дросселирования.

Рис.7.2.

• К.п.д.системы прирегулированииподачи насосаметодом дросселирования.

.

• Системабудет экономичнее,если

  .

Схемарегулированияна основестабилизацииH_н=H_с

(методбайпассирования).

Рис7.3.

• Приданном способерегулирования:

Q_б- байпасныйпоток;

Q_н - производительностьнасоса;

Q_с=Q_н-Q_б - производительностьсети;

Н_с=Н_н.

• Применениесистемы целесообразнопри

  .

Характеристикиработы на сеть

прирегулированииподачи насосаметодом байпассирования.

Рис.7.4.

• К.п.д.системы прирегулированииподачи методомбайпассирования.

.

Системанаиболее экономична,если

.

Схемарегулированияпроизводительностинасоса

наоснове стабилизации_н= _с.

Рис.7.5.

• Регулированиеподачи осуществляетсяпутем измененияскорости вращенияпривода насоса.

Теоретическиеаспекты.

• Приизменении nи сохраненииподобия режимовработы одновременноизменяютсяи Q_н и Н_нв соответствиис соотношениями:

(7.1).

• Следовательно,можно изменитьположениехарактеристикинасоса, обеспечивпрохождениеее через заданнуюточку.

Характеристикиработы на сеть

Рис.7.6.

Исходныеданные длярешения задачи:

• характеристиканасоса 1 причастоте n;

• характеристикасети 2;

Постановказадачи:

• обеспечитьработу на сетьв рабочей точке“С” с параметрамиQ_с, Н_си _с=_н.

Решениезадачи

Найдемчастоту n₁,при которойхарактеристикаН_н=f(Q)пройдет черезточку С, длячего выполнимследующиепостроения.

• Построимпараболу подобныхрежимов.

Наоснованиисоотношений(7.1) можно записать:

(7.2).

Из(7.2) выразим Н:

(7.3).

Выражение(7.3) описываетпараболу подобия3 на рис.7.5, котораяпересекаетхарактеристикунасоса (n)в точке А спараметрамиQ_Аи Н_Апри условии=const.

• Определимчастоту n₁.

На основаниисоотношений(7.1) можно записать:

,

откудапри известныхQ_с,Q_Аи nполучим n₁:

(7.4).

• Рассчитаемпо известнымQ_Aи H_Ак.п.д. насоса:

(7.5).

• Такимобразом, системаобеспечивает:

.

Типоваясхема автоматизациипроцесса перемещенияжидкости

центробежнымнасосом.

Рис.8.1

Типовоерешение автоматизациипроцесса перемещенияжидкости

центробежнымнасосом.

1. Регулирование.

• Подачанасоса Q - методомдросселирования.

2. Контроль.

• температуры: t_обм, t_подш, t_охл`,t_охл^”, t_м^”;

• давления: P_вс, P_н, P_охл;

• расходы: Q_охл^”, Q_м^”, Q.

3. Сигнализация.

Сигнализацииподлежат всеконтролируемыепараметры:

температуры - t> t_пред;

давления - Pпред;

расходы - Qмин(наличие потоковмасла и охлаждающейжидкости).

4. Системазащиты.

Посигналам «Всхему защиты»- отключаетсядействующийнасос и включаетсярезервный.

Материалык лекции №5

Автоматизацияпоршневыхкомпрессоров

Видтеоретическойиндикаторнойдиаграммы

поршневогокомпрессора.

Рис.3.1.

СхемаПз-регулированияподачи поршневогокомпрессора

Рис.5.1

Схемарегулированияподачи поршневогокомпрессора

путемизменениячастоты вращенияпривода компрессора.

ПКУ - поршневаякомпрессорнаяустановка.

Рис.5.2.

Схемарегулированияподачи поршневогокомпрессора

путемдросселированияпотока на линиивсасывания.

Рис.5.3.

Схемарегулированияподачи поршневогокомпрессора

путемотжима клапанов.

Рис.5.4.

Схемарегулированияподачи поршневогокомпрессора

путемперевода компрессорана холостойход.

Рис.5.5.

Схемарегулированияподачи 2х-ступенчатогокомпрессора

с воздействиемна ИМ каждойступени.

Рис.6.1.

Схемарегулированияподачи 2х-ступенчатогокомпрессора

с воздействиемна ИМ первойступени.

Рис.6.2.

Схематрехступенчатогокомпрессора.

Рис.4.1.

Теоретическаяиндикаторнаядиаграмма

трехступенчатогосжатия.

Рис.4.2.

Схемарегулированияподачи 4х-ступенчатогокомпрессорас включениемтехнологическогооборудованияпосле 2-ой и 4-ойступеней.

III III IV - ступеникомпримирования;

V - линия промежуточногоотбора среднегодавления Р₂в технологическуюсхему;

VI - линия возвратагаза из аппаратавысокого давления.

Рис.6.3

Схемарегулированияподачи 4х-ступенчатогокомпрессорас подключениемтехнологическогооборудованияна входе 1-ойступени, после2-ой и 4-ой ступеней.

III III IV - ступеникомпримирования;

V - линия промежуточногоотбора среднегодавления Р₂в технологическуюсхему;

VI - линия возвратагаза из аппаратавысокого давления.

VII - линия возвратагаза из аппаратасреднего давления.

Рис.6.4.

Структурнаясхема системырегулированияподачи

4-х ступенчатогокомпрессорадля рис.6.3.

Рис.6.3б

Структурнаясхема системырегулированияподачи

4-хступенчатогокомпрессорадля рис.6.4.

Рис.6.4б

Типоваясхема автоматизацииустановки

сдвухступенчатымпоршневымкомпрессором.

Обозначенияна схеме:

1-1, 2-1 - цилиндрыступеней 1и 2;1-2, 2-2 - масловлагоотделители;

1-3, 2-3 - холодильники.

Р - сигнализируемыйи контролируемыйпараметр;

Р - контролируемыйпараметр.

Рис.7.1.

Типовоерешение автоматизацииустановки

сдвухступенчатымпоршневымкомпрессором.

• Показателемэффективностипроцесса являетсяподача компрессорнойустановки.

• Регулированиеподачи осуществляетсяпо давлениюв линии нагнетания.

1. Регулирование.

• В даннойсхеме используетсяметод регулированияподачи по давлениюР в линии нагнетанияна выходекомпрессорнойустановкипутем переводакомпрессорана холостойход в результатеоткрытия запорныхклапанов РО1и РО2 на линияхбайпаса 1 и 2ступенейкомпрессора.

2. Контроль.

Контролюв любой компрессорнойустановкеподлежат температура,давление, уровень,потребляемаямощность.

• Контрольтемпературы:

•  температурагаза в линиинагнетания;

•  газа навходе и выходекаждой ступени;

• _п смазкив различныхточках подшипников;

•  воды навходе и выходехолодильников;

• _обмобмоток электропривода.

• Контрольдавления:

• Р газа навходе и выходекаждой ступени;

• Р воды навходе в холодильники;

• Р масла вмагистрали(система смазкина схеме непоказана);

• Давлениеобладает меньшейинерционностью,чем температурапри изменениитехнологическихрежимов, поэтомуего используютдля сигнализации,блокировоки защиты.

• Контрольуровня:

• Н конденсатав масловлагоотделителях;

• Н масла вмасляных баках(на схеме непоказаны);

• Н воды вгидрозатворахи газгольдерах(не показаны).

• Контрольмощности:

• мощность,потребляемаяприводом - N_пр;

• контрольосуществляетсяизмерительнымустройством,установленнымна валу привода.

• N_пропределяетэкономичностьустановки.

3. Сигнализация.

Сигнализацииподлежат:

• существенныеотклонениядавления газав линии нагнетания;

• повышениетемпературыи давлениягаза на входеи выходе каждойступени - ↑, Р ↑;

• повышениетемпературыподшипников - _п↑;

• повышениетемпературыобмоток - _обм↑;

• понижениеуровня Н во всех контролируемыхточках;

• понижениедавления водына входе холодильников - Р ;

• понижениедавления масла - Р_м;

• перегрузкапривода N_пр↑ .

4. Системазащиты.

• При существенномотклонениисигнализируемыхпараметровот заданныхзначений ,

• когда в результатесрабатыванияблокировоки вмешательстваобслуживающегоперсонала неудается восстановитьзаданныйтехнологическийрежим,

отключаетсядействующийпривод и включаетсярезервный.

Материалык лекции №6

Общаяхарактеристикатепловых процессов

Фазовоеравновесиетеплоносителей.

• Правилофаз:

s=k-f+2 (1),

где s - число степенейсвободы даннойсистемы;

f - числофаз системы;

k - числокомпонентовсистемы.

• длятрехфазнойоднокомпонентнойсистемы:

s=1-3+2=0.

• длядвухфазнойоднокомпонентнойсистемы:

s=1-2+2=1.

• дляоднофазнойоднокомпонентнойсистемы:

s=1-1+2=2.

Фазовыепереходы воднокомпонентныхсистемах.

• УравнениеКлапейрона-Клаузиуса

  (2),

где Р - давление;

r - молярнаятеплота фазовогоперехода;

Т - температурафазового перехода(испарения,плавления,возгонки);

∆V - изменениеобъема 1 молявещества припереходе егоиз одной фазыв другую.

Фазовыепереходы вмногокомпонентныхсистемах.

• Закон Генри:

  (3),

где m_i- молекулярнаядоля газа врастворе;

ψ - константаГенри;

p_i - парциальноедавление газанад жидкостью.

• Закон Рауля:

  (4),

где р_А - парциальноедавление компонентаА в парах;

Р_А - давление паровчистого компонентаА;

- молекулярнаядоля этогокомпонентав растворе.

• Законраспределения:

  (5),

где К - молярныйкоэффициентраспределения;

m_CA - концентрациявещества С вжидкости А

в г-моль/л;

m_CВ - концентрациявещества С вжидкости B.

Связьосновных параметров

теплоносителейв газовой фазе.

• ЗаконБойля:

P*V=const приT=const (1).

• ЗаконГей-Люссака:

(2а),

или на основании(2а) можно получитьпри Р=const:

(2б),

На основании(1) и (2б) можно такжеполучить:

при Р=const (3),

или

при V=const (4).

На основании(1)и (2) получаюттакже формулудля приведенияобъема газак нормальнымусловиям:

(5),

• Закон Авогадро:в одинаковыхобъемах газапри одинаковыхтемпературеи давлениисодержитсяодно и то жеколичествомолекул.

• 1г-мол.любого веществав газообразномсостояниизанимает 22,4л.;

• 1кг-мол.→ 22,4 м³и содержит6,03*10²³молекул.

• УравнениеМенделеева– Клапейрона.

для 1 г-молягаза:

P*V=R*T (6)

для n г-молейгаза:

P*V = n*R*T (7)

Если количествогаза выражаетсяв граммах:

(8)

откуда:

(9)

или

(10).

• Закон Дальтона:

(11).

• Следствиеиз законовДальтона иБойля:

(12),

где р_i - парциальноедавление компонентав газовой смеси;

v_i/V_см- парциальныйобъем компонентав единице объемагазовой смеси;

P_см - общеедавление смеси.

Физическиепараметры искорости движениятеплоносителей.

Удельныетеплоемкости.

• Размерностиудельныхтеплоемкостейс:

;

;

.

• Зависимостиудельныхтеплоемкостейот температуры:

• длязаданной температурыТ:

c=a₁+b₁*T+c₁*T² (1),

где a₁, b₁, c₁ - коэффициентыдля данноговещества.

• длязаданногодиапазонатемператур:

(2),

где Т₁ и Т₂ - заданный интервалтемператур.

• Молярнаяудельнаятеплоемкостьтвердого тела:

(3),

где n - числоатомов в молекуле.

• Теплоемкостигазов:

• c_p - при p = const или c_v при V=const.

• (4),

где М - масса1моля газа (кг/моль);

R - универсальнаягазовая постоянная,R=1,985 ккал/((кг/моль)*град).

• Длявоздуха : c_p=1,4*c_v.

Теплотаиспарения

• Эмпирическиеформулы длярасчета молекулярнойтеплоты испарения(в ккал/кг иликал/г):

r_исп= 21*T_кип; (5а)

r_исп=T_кип*(9,5*lgT_кип-0,007*Т_кип); (5б)

r_исп=T_кип(8,75+4,571*lgТ_кип) (5в).

• Эмпирическаяформула длярасчета теплотыиспаренияr_исп2 длятемпературыТ₂ ,:

(6),

где r_исп2- искомая теплотаиспарения притемпературеТ₂;

r_исп1 - известнаятеплота испаренияпри температуреТ₁;

к - поправочныйкоэффициент,k=f(T₁,T₂,T_крит).

• Определениетеплоты испаренияпо энтропийнымдиаграммам:

r_исп=i_жидк-i_газ (7),

где i_жидк,i_газ - теплосодержание,дж/кг (или ккал/кг).

Плотностидля жидких игазовых теплоносителей.

• Эмпирическаяформула дляопределенияплотностижидкости ρ_tпри заданнойтемпературеt_ср:

ρ_t =ρ₀-β_t*(t_ср-20^○С) (8),

где ρ₀ - плотностьжидкости приt₀=20^○С;

β_t - температурнаяпоправка на1^○С

• Для чистыхжидкостей ρ_tможно найтипо формуле:

(9),

где  - коэффициентобъемногорасширенияжидкости, град^-1;

t=t_ср-t₀ - разность междутемпературойсреды и t=20^C.

• Плотностьгазов при 0°Си 760 мм рт ст. наоснованиизакона Авогадро:

(10)

или

(11),

где М – молекулярныйвес газа.

• Плотностьсмеси _смпри заданныхтемпературеи давлении:

_см=b₁*₁+b₂*₂+…*_n (12),

где b₁…b_n - объемныедоли компонентов;

₁_n - плотностикомпонентов,кг/м³.

Коэффициентытеплопроводности.

• Коэффициенттеплопроводностидля жидкостейпри отсутствиисправочныхданных:

(13),

где

А=3,58*10^-8 - для ассоциированныхжидкостей;

А=4,22*10^-8 - для неассоциированныхжидкостей;

с - удельнаятеплоемкостьжидкости,Дж/(кг*град);

• - плотностьжидкости, кг/м³;

М - молярнаямасса, кг/кмоль.

• Коэффициенттеплопроводностисмеси жидкостей:

(14),

где а₁…а_n - массовые доликомпонентовв смеси;

₁…_n - коэффициентытеплопроводностикомпонентов,вт/(м*град).

Вязкостьтеплоносителей.

• Зависимостьвязкости газов_tот температуры:

(15),

где ₀ - вязкость при0С;

Т - температурав К;

С - константа.

• Вязкостьгазовых смесей_см:

(16),

гдеМ_i - молярные массыкомпонентовсмеси, кг/кмоль;

_i - динамическиевязкости компонентов,Па*с;

- объемныедоли компонентовв смеси.

• Вязкостьсмеси неассоциированныхжидкостей:

(17),

где _i - вязкостикомпонентовсмеси, Па*с;

m_i - молярные доликомпонентовв смеси, кг/кмоль.

• Вязкостьразбавленныхсуспензий:

(18),

где _ж - вязкость чистойжидкости, Па*с;

- объемнаядоля твердойфазы в суспензии.

Скороститеплоносителей.

• Средниескорости движениясреды:

(19),

где^лин_ср - средняя линейнаяскорость, м/с;

^м_ср - средняя массоваяскорость, кг/(м²*с);

Q - объемныйрасход, м³/с;

G - массовыйрасход, кг/с;

S - площадьсечения потока,м².

• Зависимостьмежду массовойи линейнойскоростью:

(20),

где  - плотностьсреды.

• Рекомендуемыескорости:

• дляжидкостей втрубах диаметром25-57мм от (1,5-2) м/c до(0,06-0,3) м/с.

• Средняярекомендуемаяскорость длямаловязкихжидкостейсоставляет0,2-0,3 м/с.

• Длягазов приатмосферномдавлении допускаютсямассовые скоростиот 15-20 до 2-2,5 кг/(м²*с),а линейныескорости до25м/с;

• длянасыщенныхпаров приконденсациирекомендуютсядо 10 м/с.

Тепловаянагрузка аппарата.

• Тепло,отдаваемоеболее нагретымтеплоносителемQ₁,затрачиваетсяна нагрев болеехолодноготеплоносителяQ₂ ина потери вокружающуюсреду Q_пот.:

Q₁=Q₂+Q_пот. (1)

• Таккак Q_пот= 2-3%, тоим можно пренебречьи считать:

Q₁= Q₂= Q (2),

гдеQ – тепловаянагрузка аппарата.

• Уравнениетепловогобаланса аппарата.

Q = G₁*(I_1Н-I_1К)= G₂*(I_2К-I_2Н) (3),

гдеG₁ иG₂- массовыерасходы теплоносителей,кг/с;

I_1Ни I_2Н- начальныеэнтальпиитеплоносителей,дж/кг;

I_1Ки I_2Ки - конечныеэнтальпиитеплоносителей,дж/кг.

• Энтальпиитеплоносителей:

I_i=c_i*_i (4).

• Тепловойбаланс аппаратапри использованиитеплоносителей,не изменяющихагрегатногосостояния:

Q = G₁*с₁*(_1Н-_1К)= G₂*с₂*(_2К-_2Н) (6),

гдес₁ и с₂ - средниеудельныетеплоемкости.

Тепловыебалансы теплоносителя

приизменении егоагрегатногосостояния.

• Теплоноситель– насыщенныйпар, которыйконденсируетсяи конденсатне охлаждается:_т= _нп=_кт.

G_т (i_т– i_кт ) = G_т* с_рт *_т- G_т * с_ркт*_кт= G_т *r_т.

• Теплоноситель– пересыщенныйпар, которыйконденсируетсяи конденсатне охлаждается:_т> _нп=_кт

Q=Q_т–Q_кт =G_т*(i_т – i_кт)= G_т * с_рт*(_т- _нп)+G_т*r_т =

= G_т * с_рт*_нп- G_т * с_рт*_нп+ G_т * с_рт*_нп- G_т * с_ркт*_кт=

= G_т * с_рт*_т- G_т * с_ркт*_кт.

• Теплоноситель– пересыщенныйпар, которыйконденсируетсяи конденсатохлаждается:_т> _нп> _кт:

Q=Q_т–Q_кт =G_т*(i_т – i_кт)=

G_т * с_рт*(_т- _нп)+G_т*r_т + G_т* с_ркт *(_нп- _кт)=

= G_т * с_рт*_т- G_т * с_рт*_нп+ G_т * с_рт*_нп-

- G_т *с_ркт*_нп+ G_т * с_ркт*_нп- G_т * с_ркт*_кт=

= G_т * с_рт*_т- G_т * с_ркт*_кт.

Основноеуравнениетеплопередачи.

Q = K*F*t_ср* (1),

где

F - поверхностьтеплообмена;

t_ср - средний температурныйнапор;

 - время теплообмена;

К - коэффициенттеплопередачи:

(2).

Выражениядля определениякоэффициентаК

в зависимостиот способапередачи тепла.

• При передачетепла теплопроводностьюК - это коэффициенттеплопроводности,определяемыйна основе законаФурье:

(3)

• При конвективномтеплообменеК - этокоэффициенттеплоотдачи,определяемыйна основе законаНьютона:

(4),

• При передачетепла путемизлучения К - коэффициентвзаимногоизлучения с_1-2излучающихтел:

K=с_1-2= _пр*K₀*10⁸=

(5),

где

К₀- константалучеиспускания;

_пр= ₁*₂- приведеннаястепень черноты;

₁ и₂ - степеничерноты излучающихтел.

Движущаясила при прямотокетеплоносителей.

Схемапрямоточногодвижениятеплоносителей.

Рис.1.

Графикизменениятемпературысреды при прямотоке.

Рис.2

• (1),

• При(Δt_макс/Δt_мин)

  (2).

• При

  :
  (3).

Движущаясила при противотокетеплоносителей.

Схемапротивоточногодвижениятеплоносителей.

Рис.3.

Графикизменениятемпературпри противотоке.

Рис.4.

• (1).

Затемиспользуютте же соотношения(2) и (3), что и дляпрямотока, дляопределениясредней движущейсилы процесса.

Материалык лекции №7

Автоматизациякожухотрубныхтеплообменников

Схемакожухотрубноготеплообменника

снеизменяющимсяагрегатнымсостояниемвеществ.

Рис.1.

• Технологическийпроцесс:нагреваниетехнологическогопотока Gдо температурыθ^выхс помощьютеплоносителяG_тс неизменяющимсяагрегатнымсостоянием.

• Показательэффективности: θ^вых.

• Цельуправления: поддержаниеθ^вых=θ_зд.

Математическоеописание наоснове физикипроцесса.

• Движениетеплоносителейосуществляетсяпротивотокомпри заданныхθ_т^вх,θ_т^вых,θ^вых,θ^вх.

• Движущаясила процесса:

  (1),

где

.

• Тепловаянагрузка аппарата:

  (2).

• Q(дж/с)позволяетопределить G_т^эффи G^эффна основе тепловыхбалансов:

(3а);

(3б);

(4а);

(4б).

Эффективноевремя пребывания:

. (5).

Математическоеописание наоснове тепловогобаланса.

Уравнениединамики:

(6).

Уравнениестатики при

:

(7)

Наосновании (6) и(7) можно принять:

. (8).

Информационнаясхема объекта.

Рис.2.

• Возможныеуправляющиевоздействия:

  .

• Возможныеконтролируемыевозмущения:

  .

• Возможныенеконтролируемыевозмущения:

  .

• Возможнаяуправляемаяпеременная:

  .

Анализдинамическиххарактеристикобъекта.

Уравнениединамики внормализованномвиде.

(9).

На основеэтого уравнениядинамики объектпо каналу

описываетсяматематическоймоделью апериодическогозвена 1-го порядка:

(10),

где:

; .

Объект имееттранспортноезапаздывание:

(11),

где V_труб - объем трубопроводаот Р.О. до входав аппарат.

Таким образом,в целом динамикаобъекта поканалу управленияописываетсяматематическоймоделью апериодическогозвена 1-го порядкас запаздыванием:

(12).

Анализстатическойхарактеристикиобъекта.

Изуравнениястатики выразим^выхв явном виде:

(13).

• Статическаяхарактеристикалинейна поканалам:

  .

• Статическаяхарактеристиканелинейна поканалу

  .

• Статическуюхарактеристикуможно линеаризоватьпо отношениюк Gвведениемстабилизациисоотношениярасходов:

  ,тогда получим:

(14).

• Линеаризованноепредставлениестатическойхарактеристикичерез разложениев ряд Тейлора:

(15).

• Линеаризованноепредставлениеприращениявыходной переменнойчерез приращениявсех возможныхвходных переменных:

(16).

Типоваясхема автоматизации

кожухотрубноготеплообменника.

Рис.3.

Типовоерешение автоматизации.

Типовоерешение автоматизациикожухотрубныхтеплообменниковвключает в себяподсистемырегулирования,контроля,сигнализациии защиты.

1. Регулирование.

• Регулированиетемпературы

  по подачетеплоносителяG_т - как показателяэффективностипроцесса нагреванияв кожухотрубномтеплообменнике.

2. Контроль.

• расходы - G_т,G;

• температуры -

  ;

• давление - Р_т,Р.

3. Сигнализация.

• существенныеотклонения^выхот задания;

• резкое падениерасхода технологическогопотока G, при этом формируетсясигнал «В схемузащиты».

4. Системазащиты.

Посигналу «Всхему защиты» - отключаетсямагистральподачи теплоносителяG_т.

Схемапарожидкостноготеплообменника

(с изменяющимсяагрегатнымсостояниемтеплоносителя).

Рис.1.

• Технологическийпоток (нагреваемаяжидкость) G_жподается потрубкам теплообменника.

• Теплоносительс изменяющимсяагрегатнымсостоянием(греющий пар)G_пподается помежтрубномупространству.

• Показательэффективности:

  .

• Цельуправления: поддержание

  .

Математическоеописание наоснове физикипроцесса.

• Теплопередачаот паровойфазы теплоносителя:

(1),

• Теплопередачаот жидкой фазытеплоносителя:

(2),

где:

- количествотепла, передаваемоеот паровой фазыи конденсататеплоносителяв единицу времени,дж/с;

- коэффициентытеплопередачидля паровойфазы и конденсататеплоносителя,дж/(м²*К^*с);

- поверхностьтеплопередачидля паровойфазы и конденсататеплоносителя,м²;

- средняядвижущая силапри теплопередачеот паровой фазык жидкомутехнологическомупотоку и отконденсатак жидкомутехнологическомупотоку.

• Общая тепловаянагрузкапарожидкостноготеплообменника:

(3).

• Так как

  ,то интенсивностьтеплопередачиот паровойфазы значительновыше, чем отконденсата.

• Поэтому навеличину Qвлияет величинасоотношенияF_п/F_к,которая зависитот уровняконденсата:

(4а).

где

и (4б).

• На основании(4а) общая тепловаянагрузка Qтакже будетзависеть отуровня конденсатаh_к:

(4в),

• Q(дж/с)позволяетопределить G_п^эффи G_ж^эффна основе тепловыхбалансов:

(5а);

(5б);

(6а);

(6б),

при h_к=h_эфф.

• Эффективноевремя пребывания:

. (7).

Тепловойбаланс парожидкостноготеплообменника.

Уравнениединамики:

Полагаем:пар перегретыйи конденсатохлаждается

:

(8).

Уравнениестатики при

:

(9).

Наосновании (8) и(9) а также (6а) и(4в) можно записать:

. (10),

где

,так как при P_п_кипr_п.

Материальныйбаланс по жидкойфазе

длямежтрубногопространства.

Уравнениединамики:

, (11),

Уравнениестатики при

:

(12)

Наосновании (11)и (12)

и предпочтительноеуправляющеевоздействие– G_к.

Материальныйбаланс по паровойфазе

длямежтрубногопространства.

Уравнениединамики:

(14),

гдеМ_п - мольнаямасса паровойфазы теплоносителя,кг/моль;

Р_п - давление паровойфазы теплоносителя,Па;

_п - температурапаровой фазытеплоносителя,К,

V_п - объем паровойфазы теплоносителя,м³ .

Уравнениестатики при

:

(15).

Наосновании (14)и (15)

и предпочтительноеуправляющеевоздействие - G_п.

Информационнаясхема объекта.

Рис.2.

• Возможныеуправляющиевоздействия:

  .

• Возможныеконтролируемыевозмущения:

  .

• Возможныенеконтролируемыевозмущения:

  .

• Возможныеуправляемыепеременные:

  .

• Наиболееэффективныеканалы управления:

.

Анализдинамическиххарактеристикпарожидкостноготеплообменника

какобъекта управлениятемпературой.

• Исходныеусловия:

  .

• Уравнениединамики внормализованномвиде.

(17)

• На основеэтого уравнениядинамики объектпо каналу

  описываетсяматематическоймоделью апериодическогозвена 1-го порядка:

(18),

где:

; .

• Объект имееттранспортноезапаздывание:

(19),

где V_труб - объем трубопроводаподачи параот Р.О. до входав аппарат.

• Такимобразом,в целом динамикаобъекта поканалу управленияописываетсяматематическоймоделью апериодическогозвена 1-го порядкас запаздыванием:

(20).

Анализстатическойхарактеристикиобъекта.

Из уравнениястатики выразим

в явном виде:

(21).

• Статическаяхарактеристикалинейна поотношению квоздействиямпо:

  .

• Статическаяхарактеристиканелинейна поотношению квоздействиюпо G_ж.

• Статическуюхарактеристикуможно линеаризоватьпо отношениюк G_жвведениемстабилизациисоотношениярасходов:

  ,тогда получим:

(22).

• Линеаризованноепредставлениестатическойхарактеристикичерез разложениев ряд Тейлора:

(23).

На основании(23) можно получить:

(24).

Схемаиспарителя

(кожухотрубноготеплообменникас изменяющимсяагрегатнымсостоянием

теплоносителяи технологическогопотока).

Рис.1.

Показательэффективности:h_ж - уровень жидкойфазы в трубкахиспарителя.

Цельуправления: поддержание

.

Математическоеописание наоснове физикипроцесса.

1. Общаятепловая нагрузкаиспарителяQ:

(1).

2. На основанииуравнениятеплопередачиможно записать:

и (2).

При теплопередачеот греющегопара и конденсатачерез трубкисправедливысоотношения:

и (3).

3. Общая поверхностьтеплопередачиF_тпри конденсациигреющего параопределитсякак:

F_т= F_п+ F_к (4а),

и следовательнона основании(3) и (4а) можно записать:

(4б).

4. Определение

   на основаниитепловогобаланса погреющему пару:

=G_гр*r_гр (5а);

= (5б).

5. Определение

   на основаниитепловогобаланса потехнологическомупотоку:

(6а);