Оптимизация работы теплообменных аппаратов
Изучение условия термодинамической согласованности. Реальное изменение температур горячего и холодного теплоносителей. Построение математической модели теплообменного аппарата. Расчет параметров переходного процесса при базовом и новом варианте.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.10.2018 |
| Размер файла | 177,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кафедра Электротехники и Электропривода
Оптимизация работы теплообменных аппаратов
Завьялов В.А.
Крылов Е.Н.
Условие термодинамической согласованности
Для решения задачи синтеза САУ требуется сначала определить, что является основным требованием к системе. Как было написано ранее, основным требованием является выполнение системой Условия термодинамической согласованности (УТС).
Это условие можно иллюстрировать следующим графиком (рис. 1)
Рис. 1. Здесь: t1 - температура горячего теплоносителя, t2 - холодного теплоносителя т.е. Дt = t1 - t2 = const
Но, с точки зрения теплофизики, процессы изменения температур в теплообменных аппаратах, выглядят иначе: постоянной разницы температур между теплоносителями не наблюдается (рис. 2).
Рис. 2. Реальное изменение температур горячего и холодного теплоносителей
Условие термодинамической согласованности может быть достигнуто методами ТАУ.
Если теплообменный аппарат разделить на участки и осуществлять в каждом из них оптимальное управление по критерию энергетической эффективности, то получается картина взаимосвязи горячего и холодного теплоносителей близкая к УТС (рис. 2). Кроме того, применение критерия энергетической эффективности позволяет достичь максимальной экономии расходов на управляющее воздействие за счет равномерного изменения температур холодного и горячего теплоносителей по длине теплообменного аппарата и во времени (рис. 3).
Преобразование объекта управления и САР
Если на интервале управления теплообменный аппарат (ТО) проявляет нелинейные свойства, с математической точки зрения его можно разделить по длине на несколько участков, с тем чтобы рассматривать его как набор последовательно соединенных звеньев, каждое из которых обладало бы линейными характеристиками. Это преобразование и определяет выбор пластинчатого теплообменника в качестве объекта управления.
Такое преобразование системы, вполне выполнимое технически, позволяет решить следующие проблемы:
1. Рассматривать теплообменный аппарат, как систему, в целом выполняющую УТС.
2. Работу каждого звена оптимизировать, не прибегая к распределенному управлению.
3. Избавляться от распределенного характера объекта, заменяя его набором звеньев с сосредоточенными параметрами.
4. Исключить потерю точности модели, при упрощении картины происходящих в ТО физических процессов без существенной потери информации.
5. Квазираспределенное управление можно реализовать, управляя каждым участком ТО отдельно, как сосредоточенным объектом.
Применение современных средств автоматики позволяет без особого удорожания начальных вложений добиться желательных результатов. Конструкция и динамика пластинчатого ТО позволяет провести такое преобразование. Разборные пластинчатые теплообменники позволяют вносить в свою конструкцию необходимые изменения.
Таким образом, решение поставленной задачи можно разделить на два этапа.
Первый. Расчет конструкции нового ТО, с тем чтобы он по своим характеристикам соответствовал исходному ТО.
Второй. Расчет системы управления, по критерию энергетической эффективности, позволяющий увеличить эффективность работы нового ТО.
Новый ТО отличается от исходного ТО тем, что состоит из нескольких, меньших по размеру ТО, суммарная мощность которых соответствует базовому ТО.
Поскольку меньшие ТО соединены по каналу холодного теплоносителя последовательно, расход холодной воды соответствует исходному ТО.
Для нормализации работы меньших ТО предлагается увеличить в них условное сечение межпластинного канала. Герметизирующие прокладки между пластинами производятся любой требуемой толщины в пределах 2,5-12 мм, что позволяет увеличить условное сечение межпластинного канала до требуемой величины.
Преобразование ТО можно упростить, если подобрать из типоряда пластинчатых теплообменников конкретного производителя так, чтобы расход холодного теплоносителя и суммарная тепловая мощность новой установки соответствовала заданным параметрам.
Что дает оптимальная работа аппарата
На рис. 3 видно, что оптимальная работа ТО дает довольно большую экономию горячего теплоносителя, что далее на примере конкретного расчета это будет показано.
Рис. 3. Варианты изменения управляющего воздействия
Несомненно, процессы теплообмена в теплоэнергетических установках носят распределенный характер, тогда как, управление установкой сосредоточенное. Предложенное преобразование позволяет использовать сосредоточенное управление (при разработанном варианте - три отдельных точки управления), что дает возможность упростить оптимизацию работы системы управления методами теории оптимальных систем.
Построение математической модели теплообменного аппарата.
Условимся называть исходный вариант - большим ТО, а новый вариант - системой ТО.
В примере рассматривается вариант, когда система ТО состоит из трех ТО, подобранных с таким расчетом, что бы их суммарная тепловая мощность соответствует большому ТО, но при этом обеспечивает такой же расход нагретой воды. В качестве большого ТО был принят аппарат фирмы Danfoss XG40-1-160, а в качестве малых - XB70-1-160.
Что бы показать эффект оптимизации работы ТО, рассчитывались два варианта - базовый и новый. Была построена модель процессов в ТО, которая использовалась в обоих вариантах расчета.
Модель ТО построена на базе энергетического баланса, т.е. ТО рассматривался как совокупность элементов, каждый из которых обладает определенным запасом тепла и взаимодействует с другими элементами и с потоками тепловой энергии в ТО.
Рис. 4. Расчетная схема ТО
Канонический вид:
или
Система конечно-разностных уравнений для расчетов на ЭВМ:
Структурная схема объекта управления выглядит таким образом:
Рис. 5. Структурная схема ТО
Проведя преобразования структурной схемы, в соответствии с правилами преобразований, можно получить следующую схему:
Рис. 6. Упрощенная структурная схема ТО
где:
.
Передаточные функции объекта по каналам горячей и холодной воды записываются в виде: термодинамический температура теплообменный
Расчет параметров переходного процесса при базовом и новом варианте
Расчет произведен с помощью программ, написанных на языке программирования БЭЙСИК. Первая программа моделирует объект управления. При помощи программы, были промоделированы переходные процессы в ТО при управляющих и возмущающих воздействих. Одно из достоинств модели состоит в том, что для работы достаточно ввести паспортные данные ТО, которые можно получить из специальной программы подбора теплообменников, поставщика теплоаппаратуры (в нашем случае Danfoss Hex).
Результаты расчетов характеристик переходных процессов
В результате машинного счета, получены следующие характеристики переходных процессов:
Рис. 7. Переходная функция исходного ТО:
TG - температура сетевой воды; T01 - температура сетевой воды на выходе ТО; GG - расход сетевой воды;
UI - интегральный расход сетевой воды за время переходного процесса; TM1 - температура пластины ТО;
TN1 - температура нагреваемой воды на выходе ТО; Т - длительность переходного процесса
Рис. 8. Графики переходного процесса в САУ с исходным ТО при ПИ законе регулирования:
TG - температура сетевой воды; T01 - температура сетевой воды на выходе ТО; GG1 - расход сетевой воды в момент окончания переходного процесса; UI - интегральный расход сетевой воды за время переходного процесса; TM1 - температура пластины ТО; TN1 - температура нагреваемой воды на выходе ТО; Т - длительность переходного процесса
Графики иллюстрируют, как ведет себя исходная система, управляемая ПИ-регулятором.
Рис. 9. Переходные функции составного (трехступенчатого) ТО:
TG - температура сетевой воды; TN1 - температура нагреваемой воды на выходе 1-го ТО;
TN2 - температура нагреваемой воды на выходе 2-го ТО; TN3 - температура нагреваемой воды на выходе 3-го ТО; GG - расход сетевой воды; UI - интегральный расход сетевой воды за время переходного процесса; Т - длительность переходного процесса
Графики, приведенные на рис. 9, иллюстрируют разгонные характеристики трехступенчатого теплообменника. Здесь следует заметить, что емкостное запаздывание от 1-го ТО к 3-му ТО существенно возрастает.
Судя по результатам расчетов, уже простое ПИ-регулирование составного ТО дает существенную экономию теплоносителя. Кроме того, переходной процесс в составном ТО протекает быстрей, чем в исходном целостном ТО. При этом экономия составляет 26%.
Рис. 10. Переходный процесс САУ трехступенчатым теплообменником
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата. Теплофизические свойства и расчёт параметров горячего и холодного теплоносителей, гидравлический и аэродинамический, тепловой расчёты. Эскизная компоновка, интенсификация теплообменника.
курсовая работа [251,7 K], добавлен 20.04.2011Сущность процесса передачи энергии в форме тепла, виды теплообменных аппаратов. Подбор теплообменного аппарата на базе расчетных данных. Ход процесса охлаждения жидкости с заданным расходом, если исходными материалами являются ацетон и скважинная вода.
курсовая работа [202,5 K], добавлен 20.03.2011Проектирование теплообменного аппарата. Термодинамический и гидродинамический расчет. Теплофизические свойства теплоносителей, компоновка теплообменной системы. Определение потери давления горячего и холодного теплоносителя при прохождении через аппарат.
курсовая работа [290,0 K], добавлен 19.01.2010Изучение конструкции и принципа работы спиральных теплообменников. Рабочие среды спиральных теплообменных аппаратов. Расчет тепловой нагрузки, скорости теплоносителя в трубах, расхода воды, критериев Рейнольдса и Нуссельта, коэффициентов теплоотдачи.
контрольная работа [135,3 K], добавлен 23.12.2014Классификация теплообменных аппаратов и теплоносителей. Конструкции трубчатых, пластинчатых и спиральных аппаратов поверхностного типа. Определение поверхности нагрева, длины и количества секций прямоточного водяного обогревателя горячего водоснабжения.
курсовая работа [961,6 K], добавлен 23.04.2010Расчет вертикального теплообменного аппарата с жесткой трубной решеткой, который применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах. Расчет местных сопротивлений.
курсовая работа [212,3 K], добавлен 17.06.2011Классификация теплообменных аппаратов. Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника. Расчет холодильника первой ступени. Вычисление средней разности температур теплоносителей. Расчет конденсатора паров толуола и поверхности теплопередачи.
курсовая работа [688,1 K], добавлен 17.11.2009Преимущества и недостатки спиральных теплообменников. Температурный режим аппарата. Средняя разность температур теплоносителей. Тепловая нагрузка аппарата. Массовый расход воды. Уточнённый расчёт теплообменного аппарата. Тепловое сопротивление стенки.
курсовая работа [43,8 K], добавлен 14.06.2012Краткое описание парового калорифера из гладких труб. Теплофизические свойства теплоносителей. Недостающие и оптимизируемые параметры. Технико-экономический, тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата. Оптимизация конструкции установки.
курсовая работа [747,7 K], добавлен 16.02.2011Применение теплообменных аппаратов типа "труба в трубе" и кожухотрубчатых для нагрева уксусной кислоты и охлаждения насыщенного водяного пара. Обеспечение должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата.
курсовая работа [462,6 K], добавлен 06.11.2012Классификация теплообменных аппаратов применяемых в нефтегазопереработке. Назначение испарителей. Обслуживание и чистка теплообменников. Определение температур холодного теплоносителя. Расход греющего пара. Определение диаметров штуцеров испарителя.
курсовая работа [463,2 K], добавлен 14.03.2016Классификация теплообменных аппаратов. Проведение поверочного теплового и гидравлического расчётов нормализованного кожухотрубного теплообменного аппарата, предназначенного для охлаждения масла водой с заданной начальной и конечной температурой.
контрольная работа [64,1 K], добавлен 16.03.2012Обоснование и выбор исходных данных для расчета теплообменного аппарата. Подбор и обоснование выбора типа фланцевого соединения. Выбор конструктивных параметров некоторых элементов теплообменных аппаратов. Расчет толщины стенки корпуса и трубной решетки.
курсовая работа [812,6 K], добавлен 11.12.2012Расчет кожухотрубчатого теплообменника, средней разницы температур между теплоносителями, объемного и массового расхода теплоносителя, тепловой нагрузки на аппарат, массового и объемного расхода хладагента. Теплофизические свойства теплоносителей.
контрольная работа [342,0 K], добавлен 08.10.2008Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата. Определение коэффициента теплопередачи бойлера-аккумулятора. Расчет патрубков, толщины стенки аппарата, днищ и крышек, изоляции аппарата. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы.
курсовая работа [218,3 K], добавлен 28.04.2016Сравнительная характеристика выпарных теплообменных аппаратов, физико-химическая характеристика процесса. Эксплуатация выпарных аппаратов и материалы, применяемые для изготовления теплообменников. Тепловой расчет, уравнение теплового баланса аппарата.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 03.10.2010Тепловой конструктивный, компоновочный, гидравлический и прочностной расчёты горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата. Тепловые и основные конструктивные характеристики теплообменного аппарата, гидравлические потери по ходу водяного тракта.
курсовая работа [120,4 K], добавлен 16.02.2011Механический и гидравлический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата. Определение внутреннего диаметра корпуса, коэффициента теплопередачи и диаметров патрубков. Расчет линейного сопротивления трения и местных сопротивлений для воды.
курсовая работа [183,2 K], добавлен 15.12.2015Кривая разгона. Динамические параметры и математическое описание кривой разгона. Алгоритм управления. Выбор переходного процесса и настройки параметров алгоритмов управления АСУ. Регулирование в программе SIMULINC. Оптимизация переходного процесса.
контрольная работа [2,1 M], добавлен 02.08.2008Принципы построения комбинированной гидродинамической модели аппарата методом декомпозиции функции отклика системы на возмущение идентификацией простейших типовых гидродинамических моделей. Разработка химического реактора с учетом его гидродинамики.
контрольная работа [304,4 K], добавлен 02.12.2015
