Управление тепловыми процессами: нагревание жидкостей

Автоматизация процесса нагревания жидкостей

Автоматизация способствует улучшению основных показателей эффективности производства - увеличению количества, улучшению качества, снижению себестоимости конечной продукции, повышению производительности труда. Внедрение средств автоматизации обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, удлинение сроков межремонтной работы технологического оборудования.

Принципы процесса нагревания жидкостей могут быть рассмотрены на примере поверхностного кожухотрубчатого теплообменника, в который подаются теплоноситель и нагреваемый продукт. Пример его схемы изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема поверхностного кожухотрубчатого теплообменника. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Показателем эффективности выше представленного процесса является температура продукта на выходе из теплообменника, а главная цель автоматизации заключается в поддержании этой температуры на заданном уровне. Зависимость температуры продукта на выходе из теплообменника находится из уравнения теплового баланса:

Рисунок 2. Уравнение теплового баланса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где, Gп и Gт - расход продукта и теплоносителя соответственно; сп, Ст - удельная теплоемкость продукта и горячего теплоносителя; tп, tн - температура продукта и теплоносителя на входе в теплообменник; tт - температура теплоносителя на выходе теплообменника.

Таким образом температура продукта на выходе из теплообменника находится следующим образом:

Рисунок 3.

Расход теплоносителя легко стабилизируется или используется для внесения эффективных регулирующих воздействий. Расход продукта определяется другими технологическими процессами, поэтому он не может быть ни стабилизирован, ни использован для внесения регулирующих воздействий. В случае изменения расхода теплоносителя в теплообменник поступают сильные возмущения. Температуры продукта и теплоносителя, а также их удельные теплоемкости определяются технологическими режимами других процессов, таким образом стабилизировать их при протекании процесса нагревания невозможно. Неликвидируемыми возмущениями являются изменение температуры окружающей среды, а также свойств теплопередающей стенки из-за отложения солей, и вследствие коррозии.

Способы управления процессом нагревания жидкостей

Основными способами управления процессом нагревания жидкостей являются:

1. Каскадно-связанное регулирование. Применение двухконтурных систем автоматического регулирования способствует улучшению качества регулирования конечной температуры продукта, если вспомогательной величиной выбирается параметр, изменение которого будет сильным возмущением для процесса. В большинстве случаев вспомогательной величиной выбирается расход теплоносителя. В том случае, если теплоносителем является пар с переменным давлением, то выбирается давление теплоносителя или давление в пространстве между трубами. Последний вариант используется в случае переменных расхода и температуры нагреваемого продукта, потому что давление в межтрубном пространстве менее инерционный параметр, чем конечная температура продукта.
2. Регулирование байпасированием продукта. В том случае, если изменение расхода теплоносителя недопустимо, используется метод байпасирования. В данном случае регулирующее воздействие осуществляется посредством изменения расхода байпасированного продукта.
3. Изменение температуры горячего теплоносителя. Когда насос теплоносителя устанавливается после теплообменника, то стабилизировать конечную температуру можно за счет изменения начальной температуры горячего теплоносителя благодаря рециркуляции его части. Достоинство такого способа заключается в постоянстве расхода и скорости теплоносителя в теплообменника, что способствует обеспечению стабильных и высоких значения коэффициента теплоотдачи.
4. Изменение расхода продукта. Данный способ допустим, если изменение или стабилизация расхода продукта не влияют на качество управления процессом.