Моделирование регулируемого контура промежуточного теплоносителя теплонасосной установки
Рассмотрение модели промежуточного контура теплонасосной установки, используемой в виноделии. Ознакомление с переходными процессами при отработке скачкообразного возмущения по температуре в рубашке реактора для брожения. Анализ сравнения показателей.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 02.02.2019 |
Размер файла | 188,3 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/
Институт энергетики АНМ
Моделирование регулируемого контура промежуточного теплоносителя теплонасосной установки
Шит Михаил Львович - к.т.н., зав. Лабораторией «Энергетической эффективности и систем управления». E-mail: mihail_sheet@yahoo.com
Андронатий Николай Родионович - академик АН Молдовы, доктор технических наук. E-mail:ieasm@ie.asm.md
Шит Борис Михайлович - инженер-программист. E-mail:boris@fld.rambler.ru
Аннотация
Рассмотрена модель промежуточного контура теплонасосной установки, используемой в виноделии. Показаны переходные процессы при отработке скачкообразного возмущения по температуре в рубашке реакторе для брожения. Произведено сравнение показателей качества нескольких систем управления.
Ключевые слова: тепловой насос, моделирование, система регулирования.
Rezumat
MODELAREA CONTURULUI REGLABIL AL AGENTULUI TERMIC INTERMEDIAR AL INSTALAЮIEI CU POMPA DE CГLDURГ . PARTEA II
Єit M.L., Andronati N.R., Єit B.M.
Institutul de Energeticг al AЄM
Este cercetat modelul conturului intermediar al instalaюiei cu pompa de cгldurг. Sunt demonstrate procesele tranzitorii la pertrurbaюiei de tip salt оn cгmaєa rezervorului pentru fermentarrea vinului. Sunt comparate indicile de calitate a unor sistemele de dirijare.
Cuvinte-cheie: pompa de cгldurг, modelarea, sistemul de dirijare.
Abstract
MODELING OF THE HEAT PUMP STATION CONTROLABLE LOOP OF AN INTERMEDIATE
HEAT-TRANSFER AGENT (Part II)
Sit M.L., Andronaty N.R., Sit B.M.
Institute of Power Engineering of the ASM
It is studied the model of the heat pump station controllable loop of an intermediate heat-transfer agent for the use in wineries. There are demonstrated transients after the disturbing action of the temperature on the input of cooling jacket of the fermentation stirred tank. There are compared different control laws of the object.
Key words: heat pump, modeling, control system.
Введение
Рассмотрим работу промежуточного контура теплового насоса для виноделия, для охлаждения вина и (или) бродящего сусла при возмущении по тепловой мощности процесса брожения. Насос также может быть использован для подогрева воды и (или) обработки вина теплом. В процессе брожения возрастает температура сусла в резервуаре. При этом происходит увеличение температуры на выходе теплообменника промежуточного контура. Сигнал о новом значении температуры проходит на вход испарителя с запаздыванием, определяемым длиной и объемом трубопровода, конструкцией промежуточной емкости промежуточного контура, а также производительностью насоса контура. Для стабилизации режима охлаждения бродящего сусла необходима система управления. Промежуточные контуры в холодильных и теплонасосных системах известны [1,2]. Тем не менее, вопрос исследования динамики работы этих контуров в литературе не рассматривался.
1. Разработка системы управления режимом работы контура
Процесс стабилизации режима контура для обеспечения заданной температуры выходе рубашки резервуара для сусла происходит следующим образом. При изменении температуры на выходе из рубашки изменяется производительность насоса, что приводит к стабилизации режима. В испарителе изменяется режим работы (увеличивается перегрев на выходе из испарителя). Система работает следующим образом. На вход системы управления поступает сигнал о температуре промежуточного теплового агента на выходе из рубашки резервуара. Так как целью работы теплового насоса при охлаждении резервуара является увеличение мощности, отдаваемой испарителем в систему, то поступает сигнал на увеличение производительности компрессора теплового насоса, увеличивается расход хладагента, снижается перегрев пара хладагента, увеличивается расход воды через испаритель, с тем, чтобы вернуть температуру на выходе из рубашки в исходное состояние. теплонасосный виноделие реактор брожение
Возможен ряд вариантов аппаратурного оформления режима охлаждения бродящего сусла, например:
1. резервуар с рубашкой, где регулируют режим охлаждения сусла температурой испарителя и скоростью циркуляции промежуточного теплоносителя;
2. теплообменник, через который циркулирует бродящее сусло;
3. резервуар с "плавающим" погруженным в охлаждаемую среду теплообменником и др.
Разумеется, режим стабилизации температуры бродящего сусла требует учета модели процесса брожения и дополнительных сигналов о температуре сусла в резервуаре и других параметрах процесса брожения. Так эта задача выходит за рамки данной статьи, то рассмотрим только процесс управления поддержанием теплового режима работы теплообменника промежуточного контура путем поддержания перепада температур на входе и выходе вторичного контура теплообменника на примере резервуара с рубашкой.
Упрощенные модели тепловых процессов в резервуаре и его рубашке [3,4] имеют вид:
(1)
(2)
температура промежуточного теплоносителя на входе в рубашку, К.
температура промежуточного теплоносителя на выходе из рубашки, К.
коэффициент теплопередачи тепла от промежуточного теплоносителя к суслу, .
площадь теплопередающей поверхности рубашки, м2.
температура среды внутри резервуара, К.
массовый расход промежуточного теплоносителя через рубашку, кг/с.
объем рубашки, м3.
- тепловая мощность, выделяющаяся при брожении, Вт,
теплоемкость (при постоянном давлении) промежуточного теплоносителя и продукта в резервуаре, , соответственно.
плотность промежуточного теплоносителя и продукта в резервуаре, , соответственно.
Очевидно, что при изменении расхода жидкости через рубашку изменяется коэффициент теплопередачи, а, значит, коэффициент усиления и постоянная времени процесса изменения температуры промежуточного теплоносителя на выходе из рубашки как объекта управления. В уравнении (1) сделан ряд допущений, весьма грубых упрощений процесса брожения сусла. Это уравнение носит демонстрационный характер с целью оценки влияния температуры на выходе из рубашки на температуру в резервуаре. Вид функции выбран произвольным с целью демонстрации различных режимов поддержания температуры брожения. После простых преобразований уравнения (1) получим:
.(3)
Для получения передаточной функции системы "резервуар - рубашка - промежуточный контур - ТНУ" составим уравнение в приращениях относительно установившегося режима, когда температура промежуточного теплоносителя на входе в рубашку равна , температура продукта в резервуаре (средняя) равна .
Составим уравнение рубашки в приращениях.
(4)
Рассмотрим уравнение, связывающее температуру стенки испарителя (выходная величина) с температурой промежуточного теплоносителя и температурой хладагента , и которое имеет вид:
,(5)
теплоемкость материала стенки трубки, плотность материала стенки трубки, сечение трубки соответственно;
коэффициент теплоотдачи от промежуточного теплоносителя к стенке трубки;
коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке трубки.
Уравнения, связывающие изменение температуры хладагента в испарителе (выходная величина), а также температуру стенки трубки испарителя и массу хладагента в испарителе [5,6]
(6)
(7)
- массовый расход среды на входе в испаритель; - массовый расход хладагента на выходе испарителя или то же самое, что массовый расход газа на выходе из компрессора, который зависит от давлений нагнетания и всасывания компрессора, объем испарителя.
Очевидно, что температура хладагента зависит также от коэффициента теплоотдачи хладагента, т.е. от скорости циркуляции. Массовый расход хладагента на входе в испаритель зависит от степени открытия регулирующего клапана в циркуляционном контуре ТНУ, давления на выходе из компрессора и давления на входе в испаритель [5].
Передаточная функция, описывающая динамику изменения температуры промежуточного теплового агента на выходе из испарителя, в зависимости от температуры промежуточного теплового агента на входе в испаритель имеет следующий вид (по аналогии с [7,8]):
(8)
Где, средняя скорость промежуточного теплового агента в межтрубном пространстве испарителя, средняя длина пути промежуточного теплового агента в межтрубном пространстве испарителя.
Очевидно, что с ростом интенсивности брожения необходимо увеличить скорость циркуляции промежуточного хладагента и разность скоростей на входе и выходе из испарителя.
Рассмотрим уравнение динамики стенки испарителя ].
.(9)
(10)
где, масса 1 м стенки трубки испарителя;
коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях трубки испарителя;
удельная теплоемкость стенки трубки испарителя,
(11)
температура хладагента в испарителе,
температура промежуточного теплоносителя на входе в испаритель.
Обозначим: , ; ;
Для оценки влияния температуры испарителя на температуру во вторичном контуре воспользуемся следующим уравнением:
(12)
Преобразуем это уравнение в операторную форму, подразумевая в дальнейшем под значениями величин температур их приращения относительно установившихся (базовых) значений.
Передаточная функция, описывающая динамику изменения температуры промежуточного теплового агента на выходе испарителяв зависимости от температуры стенки в испарителе, имеет следующий вид [16]:
(13)
Структурная схема блока ТНУ, связывающего температуру в резервуаре с суслом, скорость циркуляции промежуточного теплоносителя, температуру испарителя и расход хладагента через него, имеет вид (рис.1). Как известно при проектировании систем управления температурой в резервуарах часто используют каскадные системы, в которых контур стабилизации является внутренним. В связи с этим рассмотрим тепловой насос с такой системой управления.
Рассмотрим задачу компенсации скачкообразного возмущения по температуре теплоносителя в рубашке резервуара путем изменения температуры испарителя и скорости циркуляции промежуточного теплоносителя.
Закон стабилизации температуры теплоносителя в рубашке резервуара выбираем в следующем виде:
(14)
(15)
Как видно из формул, закон управления представляет собой комбинацию ПИ-регулятора и сигналов рассогласования с различными значениями запаздывания и функциональным преобразованием.
Как показали результаты моделирования введение дополнительных опережающих сигналов по температуре промежуточного теплоносителя после разделительного резервуара и после испарителя оказывает стабилизирующий эффект на переходный процесс, позволяя снизить колебательность процесса и обеспечить нулевую статическую ошибку.
Рис. 1. Структурная схема промежуточного контура и его системы управления.
Исходные данные для моделирования.
1. Параметры звена, описывающего тепловую инерцию рубашки:
2. Параметры звена, описывающего гидравлическую инерцию рубашки:
3. Параметры звена, описывающего промежуточный сосуд и насос подачи:
4. Испаритель:
Рис. 2. Зависимость сигнала по температуре на выходе и входе рубашки как объекта управления при скачкообразном единичном входном сигнале на входе в рубашку (сплошная линия сигнал на выходе из рубашки, штрих - пунктирная линия - сигнал на выходе из испарителя).
Рис. 3. Зависимость сигнала по температуре на выходе и входе рубашки как объекта управления в системе с регулированием режима изменением расхода (сплошная линия температура теплоносителя на входе в рубашку, пунктирная - температура теплоносителя на выходе из рубашки).
Выводы
1. Закон управления температурой в рубашке контура промежуточного теплоносителя с использованием ПИ-регулятора и дополнительных сигналов по температурам промежуточного теплоносителя обеспечивает стабилизацию температуры в широком диапазоне изменения параметров промежуточного контура теплового насоса.
2. Введение дополнительных сигналов по температуре промежуточного теплоносителя после разделительного резервуара и после испарителя оказывает стабилизирующий эффект на переходный процесс изменения температуры в рубашке, позволяя снизить колебательность процесса и обеспечить нулевую статическую ошибку.
Литература
1. Шабанов В.Е. «Применение кольцевых теплонасосных систем» www.mammoth-russia.ru/info/info_1.doc.
2. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии http://www.combienergy.ru/npb76p3.html
3. B. Roffel, B. Betlem Process Dynamics and Control. Modeling for Control and Prediction. John Wiley, 2006, ISBN-13: 978-0-470-01663-3.
4. Эрриот П. Регулирование производственных процессов. Пер. с англ., М., «Энергия», 1967, 480 с.
5. Tao Cheng, Xiang-Dong He, H. Harry Asada “Nonlinear Observer Design for Two-Phase Flow Heat Exchangers of Air Conditioning Systems”, Proceedings of the 2004 American Control Conference, Boston, Massachusetts, Denver, Colorado June 30, - July 2, 2004, p. 1534-1539.
6. Шит Б.М. Моделирование регулируемого контура промежуточного теплоносителя теплонасосной установки (часть I). Problemele Energeticii Regionale, N2(10) 2009, http://ieasm.webart.md/data/m71_2_105.doc.
7. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г. Дудникова. - М.; Химия. 1987. 368 с.
8. Шевяков А.А. и Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1968.- 240 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Технологический процесс поддержания концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате на заданном уровне. Обоснование установки контура регулирования на ректификационной колонне. Способы резервирования регулятора. Расчет надежности контура регулирования.
курсовая работа [766,6 K], добавлен 30.11.2009Тепловые контуры энергодвигательных систем. Устройство, выбор теплоносителя и его фазового состояния. Процессы в контуре. Жидкий неметаллический и газообразный теплоноситель. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи различных теплоносителей.
контрольная работа [658,8 K], добавлен 17.12.2015Расчет и проектирование сварочного контура. Эскизирование сварочного контура. Расчет сопротивления вторичного контура. Расчет трансформатора контактной машины: определение токов, сечений обмоток, сердечника магнитопровода, потерь электроэнергии.
курсовая работа [146,7 K], добавлен 14.12.2014Построение модели структурной схемы САР, оценка устойчивости разомкнутого контура. Стабилизация контура изменением параметров усилителя. Анализ частотных характеристик и предварительная коррекция САР, введение ПИ-регулятора в контур управления.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 27.03.2012Знакомство с функциями реактора гидроочистки дизельного топлива Р-1. Гидроочистка как процесс химического превращения веществ под воздействием водорода при высоком давлении и температуре. Характеристика проекта установки гидроочистки дизельного топлива.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 12.01.2014Классификация примесей, содержащихся в воде для заполнения контура паротурбинной установки. Показатели качества воды. Методы удаления механических, коллоидно-дисперсных примесей. Умягчение воды способом катионного обмена. Термическая деаэрация воды.
реферат [690,8 K], добавлен 08.04.2015Передаточное число редуктора и расчет участков длин лент конвейера. Расчет основных нагрузок механизма установки. Построение нагрузочной диаграммы с учетом регулирования координат электропривода. Моделирование динамики технологической установки.
дипломная работа [314,4 K], добавлен 25.11.2010Назначение и область применения установки каталитического крекинга. Процессы, протекающие при переработке нефти. Технологический и конструктивный расчет реактора. Монтаж, ремонт и техническая эксплуатация изделия. Выбор приборов и средств автоматизации.
дипломная работа [875,8 K], добавлен 19.03.2015Работа трехконтурной автоматической системы, встроенной в естественную систему. Структурная схема и анализ устойчивости контура, его переходная характеристика. Определение оптимальных частот работы контура, построение передаточной функции ошибки.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.10.2009Общие сведения о флотации. Анализ флотационной машины как объекта автоматизации. Формулировка требований к системе управления. Идентификация, создание математической модели объекта управления. Имитационное моделирование контура регулирования в MatLab.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 23.12.2012Проектирование системы автоматического регулирования скорости электропривода шахтной подъемной установки. Применение для установки тиристорного параметрически регулируемого привода с комбинированным управлением асинхронным двигателем с фазным ротором.
курсовая работа [244,6 K], добавлен 24.06.2011Изучение назначения и устройства испарителей. Определение параметров вторичного пара испарительной установки, гидравлических потерь контура циркуляции испарителя. Расчет коэффициентов теплопередачи и кинематической вязкости, удельного теплового потока.
контрольная работа [377,4 K], добавлен 06.09.2015Условия эксплуатации, технические и технологические характеристики опреснительной установки POPO 510. Выбор оборудования, приспособлений, инструмента для монтажа установки. Крепление рамы установки на фундаменты. Охрана труда при монтаже установки.
курсовая работа [23,7 K], добавлен 08.05.2012Призначення, конструкція і технічна характеристика реактора. Розрахунок взаємного впливу отворів на верхньому днищі. Технологія ремонту окремих збірних одиниць, деталей обладнання. Робота реактора, можливі несправності апарата та засоби їх усунення.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 10.10.2014Исследование проблемы снабжения судов пресной водой. Описание тепловой схемы опреснительной установки. Ознакомление с результатами теплового расчёта греющей батареи. Рассмотрение схемы жалюзийного сепаратора. Изучение особенностей выбора насосов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 19.03.2019Наименование АСУ и исходные данные для разработки документации для проекта автоматизации сухой газоочистки. Технологическое оборудование, режимы управления технологическим оборудованием, автоматические контура регулирования и блокировки установки.
дипломная работа [80,7 K], добавлен 31.07.2008Моделирование химического реактора емкостного типа, снабженного механической мешалкой, в которую подается теплоноситель или хладагент. Принципиальная схема реактора и стехиометрические уравнения реакции. Разработка математической модели аппарата.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 31.03.2015Разработка весового бункера-дозатора оборотной смеси на основе анализа работы и выявленных недостатков существующих моделей весов, дозаторов и расходомеров. Его характеристики, устройство и правила эксплуатации. Расчёт транспортирующих пневмоцилиндров.
курсовая работа [535,5 K], добавлен 26.12.2013Технологический процесс выплавки стали в дуговой электропечах и место контура автоматизации в нем. Структурная схема контура регулирования и математическая модель процесса. Функциональная схема автоматизации. Конфигурации алгоритмов блоков контроллера.
курсовая работа [82,4 K], добавлен 04.03.2012Выявление отрицательных и положительных качеств электропривода ТП-Д. Разработка упрощенной принципиальной схемы двигателя с реверсом поля. Расчет контура регулирования токов якорной цепи и возбуждения, определение контура регулирования скорости.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 04.05.2011