Проектирование кондесаторного холодильника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование кондесаторного холодильника

Задание

Рис .1 Схема установки

Пары этилового спирта конденсируются в кожухотрубчатом теплообменнике 1, охлаждаемом из сети. Далее конденсат охлаждается до 10-12⁰ С в холодильнике 2 ледяной водой с начальной температурой 4-6 ⁰ С, подаваемой из сборника 3 центробежным насосом 4. Охлаждённый спирт направляется в промежуточный сборник 5 , откуда откачивается центробежным насосом 6.

Табл.1 Перечень контролируемых и регулируемых параметров

Регулирование Температура охл. спирта (расходом ледяной воды) Расход воды в конденсатор ( по расходу пара )
Регистрация Расход охлаждённого спирта
Измерение Расход пара Температура охлаждённого спирта Температура воды Давление ледяной воды Уровень в сборнике 5
Сигнализация Уровень в сборнике 5 Давление ледяной воды
Автоматическая блокировка Отключение насоса 4 при нижнем Н в сборнике 3 Отключение пара при отключении насоса 4
Управление Включение и отключение насоса 4 Включение и отключение насоса 6

Введение

конденсаторный холодильный установка

Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве связан с комплексной механизацией и внедрением средств автоматизации. Для выполнения поставленных перед сельским хозяйством задач по повышению эффективности производства необходимо широкое внедрение современных приборов и средств автоматизации, создание наиболее эффективных систем управления технологическими процессами. Новые возможности для высокоэффективной автоматизации сельскохозяйственного производства открывает применение микропроцессорных средств автоматизации в системах управления. Создаются предпосылки для применения в сельскохозяйственном производстве в больших масштабах высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий. Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими процессами.

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции. Непременным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие и совершенствование ее технических средств, к которым относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих воздействий на объект управления. Эти воздействия осуществляются с помощью исполнительных механизмов и регулирующих органов. Задачей данного курсовой работы является наиболее оптимальный выбор технических средств автоматизации для реализации технологического процесса конденсаторно-холодильной установки. В данной работе основными регулируемыми контурами являются: температура охлаждённого спирта на выходе 2 ; расход воды в конденсатор 2 .

1. Выбор приборов и устройств автоматического контроля и регулирования

Рис. 2 Схема установки с выбранными средствами автоматизации

Выделяем 2 контура регулирования :

1 контур : Температура охлаждённого спирта (расходом ледяной воды)

В нём нужно регулировать температуру на выходе 2 из холодильника расходом ледяной воды, поэтому выделим оборудование используемое в этом контуре регулирования:

1) Датчик температуры с унифицированным токовым сигналом 4…20 mA типа ДТ-ТВ. 2) Преобразователь частоты Hitachi L100.

Выбор датчика температуры

Датчики температуры с унифицированным выходным токовым сигналом типа ДТ-ТВ предназначены для непрерывного преобразования температуры жидкостей, пара, газов и сыпучих сред в унифицированный токовый сигнал 4…20 мА . Питание датчика осуществляется от источника постоянного напряжения (в качестве источника питания следует использовать линейный источник питания, применение импульсных источников питания не рекомендуется). Номинальное значение напряжения питания (24±5%) В.

Выбор преобразователя частоты : выбираем Hitaсhi L100 для изменения производительности насоса 4. Выбираем двигатель АИР100L6 мощностью 2.2 кВт

Регулирование происходит следующим образом: датчик температуры ДТ-ТВ , установленный на выходе из холодильника 2, вырабатывает унифицированный токовый сигнал 4…20 мА, который подаётся на преобразователь частоты Hitachi L100, который в последующем регулирует обороты центробежного насоса 4 т.е изменяет его производительность.

Рис. 3 Схема контура регулирования температуры спирта

2 контур: Расход воды в конденсаторе ( по расходу пара)

Выбор регулятора давления

Измеритель - регулятор ОВЕН ТРМ 148 для регулирования давление пара, поступаемого в теплообменник 1 с помощью подаваемого унифицированного сигнала 4…20 мА от датчика расхода ДРК4 .

Табл.2 Характеристики прибора ТРМ148

Наименование	Значение
Диапазон переменного напряжения питания:
напряжение,В	90...264
частота, Гц	47.63
Потребляемая мощность, ВА, не более	12
Количество каналов измерения	8
Время опроса одного канала, с, не более	0,4
Предел основной приведенной погрешности при измерении:
термоэлектрическими преобразователями, %	+0,5
термометрами сопротивления и унифицированными сигналами
постоянного напряжения и тока, %	±0,25
Количество каналов	8
Количество выходных элементов	8
Интерфейс связи с компьютером	RS-485
Протокол передачи данных по RS-485	ОВЕН
Напряжение встроенного источника питания, В	24 ± 3
Максимально допустимый ток встроенного источника питания, мА	180
Степень защиты корпуса (со стороны лицевой панели)	IP54
Габаритные размеры прибора, мм	(96х96х145)±1
Масса прибора, кг, не более	1,5
Средний срок службы,лет	8
Средняя наработка на отказ, час	100000

Выбор регулирующего клапана

В нашем случае необходимо выбрать регулируюший клапан на входе в теплообменник , регулирующий температуру воды . Выбираем клапан регулирующий Siemens VVF 21.25.

Технические характеристики :

Рабочая среда- Вода , пар и другие жидкие/газообразные среды

Температура рабочей среды -10...+150С

Материал корпуса - чугун

Номинальное давление - Ру = 6 МПа

Присоедительный размер - Ду = 25 мм

Вид присоединения- фланцевое

Управляющий сигнал - 4...20мА

Датчик расхода воды корреляционный ДРК-4 предназначен для измерения расхода пара на входе 1 и регистрации расхода охлаждённого спирта на выходе 5. Принцип действия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических преобразователей АП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП.

ДРК-4ОП включает в себя :

· устройство гальванической развязки входных цепей с источником питания и выходными цепями,

· блок питания 220 В, 50 Гц,

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для формирования унифицированного токового выходного сигнала 0-5, 4-20 мА,

· контроллер блока индикации, RS485.

Рис.4 Схема электрических соединений ДРК-4

Регулирование происходит следующим образом : преобразователь расхода ДРК4 преобразует количество проходящего пара в токовый унифицированный сигнал 4…20 мА , поступающий на регулятор расхода Овен ТРМ148, который воздействуя на регулирующий клапан Siemens VF 21.25 приоткрывает или призакрывает заслонку , тем самым изменяя расход воды.

Рис. 5 Схема контура регулирования расхода воды

Рис. 6 Принципиальная схема 1 контура регулирования

Рис.7 Принципиальная схема 2 контура регулирования

Выбор датчика уровня

В нашем случае необходимо выбрать датчики верхнего и нижнего уровня воды в сборнике 3,5. Используем бесконтактный выключатель ВБЕ-Ц30. Ёмкостные датчики уровня применяются для бесконтактного измерения предельного уровня как жидких, так и сыпучих веществ, состоящих из разного материала. Чувствительный элемент емкостных датчиков изготовлен в виде пластин конденсатора. Упрощенная функциональная схема ВБЕ изображена на рисунке 8 .

Рис. 8 Упрощенная функциональная схема ВБЕ

Принцип действия: приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.

По заданию требуется установка 2 датчиков : 1 -ой - расход пара на входе в теплообменник 1 ; 2-ой - на выходе из сборника 5.

Выбор датчика давления

Нужно выбрать измеряющий датчик давления ледяной воды в трубопроводе, поступаемой из сборника 3.Выбираем манометр ДМ 05 предназначены для измерения избыточного давления жидкостей, газа и пара.

Описание:

Корпус - сталь, окрашенная в черный цвет.

Стекло - техническое.

Механизм - медно-латунный сплав.

Степень защиты - ІР40.

Эксплуатация в диапазоне от -40 до 150 °С.

Манометры могут комплектоваться фланцем. Фланец крепится к прибору без разборки манометра, не нарушая целостности механизма.

Выбираем для измерения температуры на входе 2 термометр ТРМ03.

Рис.9 Схема управления включения/выключения насоса М1

Рис.10 Схема управления включения/выключения насоса М2

Автоматическая блокировка данной установки предусматривает :

- Отключение насоса 4 при нижнем Н в сборнике 3

- Отключение пара при отключении насоса 4

При отсуствии поступления пара в теплообменник 1 сработает датчик давления , который своим контактом отключит питание , подаваемое на магнитный пускатель насоса.

При нижнем уровне в сборнике 3 срабатывает датчик нижнего уровня, его контакт отключает питание магнитного пускателя двигателя насоса, что приводит к отключению насоса.

2. Выбор аппаратов управления и защиты

В задаче требуется выбрать аппараты управления и защиты и рассчитать сечения проводов схемы электропитания системы автоматизации, приведенной на рис.2.1.

Рис.11 Принципиальная электрическая схема питания установки автоматизации

От шин распределительного щита получают питание силовая сборка задвижек и щит питания. К силовой сборке задвижек и к щиту питания подключены электроприемники. Все электроприемники установлены в щитах, которые находятся в помещении с нормальной средой. Электропроводку следует выполнять проводами с алюминиевыми или медными жилами (по выбору), проложенными в защитных трубах.

Таблица 3 Исходные данные к задаче №2

Номер линии	Технические характеристики элекроприёмников
1	АО2-52-4 Nн =10000 Вт , Iн = 19,7 А
2	АО2-51-4 Nн =13000 Вт , Iн = 25 А
4	МЭО 160/100 N =550 ВА
5	ТРМ 212 N =10 ВА , 5 штук
6	Мемограф N =25 ВА
7	Экограф N =50 ВА
8	14 реле , N =140 ВА , 15 ламп, N =150 Вт
В линии 8 одновременно работают	7 реле , 7ламп
В линии 8 одновременно включаются	3 реле , 1 лампа

Выбор аппаратов управления

1. Определяются длительные и кратковременные расчетные токи .

2. По размеру расчетных токов линий производится выбор аппаратов управления и защиты, а для линий 1 и 2 также выбираются магнитные пускатели.

3. Осуществляется выбор сечений проводников по размеру расчетных токов линий.

Если известны номинальные мощности электроприёмников, то их номинальные токи могут быть рассчитаны по следующим соотношениям, дальнейшие значения заносим в таблицу 2.1 - 2.2 :

- для трехфазных электроприёмников переменного тока.

Табл.4 Расчётные токи трехфазных электроприёмников

№ линии	1	2
Расчётный ток, А	19.88	25.85

- для однофазных электроприёмников, присоединенных к одной фазе сети трехфазного тока:

Табл.5 Расчётные токи однофазных электроприёмников

№ линии	4	5	6	7	8
Расчётный ток, А	2,5	0.25	0.11	0.22	0.63 реле 0.68 лапм

Выбор рубильников

Для линий № 4-8 выбираем однополюсные рубильники серии ВР.

Выбор магнитных пускателей

Выбор пускателей производится: - по номинальному напряжению сети

,

где U_{н пуск}. - номинальное напряжение катушки пускателя, В

- по мощности электродвигателя исполнительного механизма или задвижки.

Для линии №1-2 выбираем магнитные пускатели Iskra Mis KNL 22 и KNL 30, рассчитанные на номинальные мощности 11 и 15 кВт соотвественно.

Выбор предохранителей

В схемах электропитания систем автоматизации применяются предохранители с малой тепловой инерцией, которые выбираются с соблюдением следующих условий:

1) по номинальному напряжению сети :

,где U_{н пред} - номинальное напряжение предохранителя,

2) по длительному расчетному току линии :

- номинальный ток плавкой вставки, А;

В цепях управления и сигнализации плавкие вставки выбираются по соотношению :



В линии 8 одновременно работают 5 реле и 6 ламп. Ток через реле

= 0,63 А, ток через лампу = 0,68 А. Тогда получим

Одновременно могут быть включены 1 реле и 3 лампы. Тогда имеем

По формуле определяем номинальный ток плавкой вставки

По таблице выбираем предохранитель Ferraz Shawmut с током плавкой вставки, равным 10 А, округляя значение в большую сторону.

Для линий 4-7 выбираем трубчатые предохранители серии ПР-2 (4 шт).

Выбор автоматических выключателей

Выбор данной аппаратуры производится по номинальному напряжению и току с соблюдением следующих условий:

, ,

где U_H._a - номинальное напряжение автомата, В; I_Ha. - номинальный ток автомата, А.

Номинальный ток расцепителей должен быть не меньше номинального тока двигателя:

Ток уставки электромагнитного расцепителя (отсечки) принимается равным : ,

Необходимо выбрать автоматический выключатель и его уставки для двигателей в линии 1-2 , имеющих I_н2 = 25 А, I_н1 =19.7 А. Пусковые токи будут равны соответственно:

По формуле находим :

= 1,25*175 =218,75 А

Выбираем автоматические выключатели АП50Б-ЗМТ. = 25 и 19,7 А, Определяем ток отсечки :

Принимаем ,. Номинальный ток теплового расцепителя больше либо равен номинальному току двигателя. Получаем

Выбор сечений проводников

Сечения проводников питающей и распределительной сетей системы электропитания установок автоматизации должны выбираться по условиям нагревания электрическим током по допустимым токовым нагрузкам на провода и кабели с учетом прокладки , поэтому выбираем следующие сечения проводов:

Линии 1-2: с медными жилами четырёхжильный , сечение токопроводящей жилы 2.5мм² , токовая нагрузка 25 А

Линии 4-8: с медными жилами четырёхжильный , сечение токопроводящей жилы 1.5мм² , токовая нагрузка 19 А

3. Расчет надежности элементов системы

Табл.6 Исходные данные

Наименование элементов	Количество элементов в системе	Наработка на отказ,106
Автомат. регулятор: многоканальный	2	0,1
Многоканальный регистратор	2	0,08
Термометр сопротивления	10	0,2
Датчик: - давления	2	0,3
Барьер искрозащиты	19	1
Электропневмопреобразователь	7	0,8
Пневматический исполнительный	7	5
Трансформатор	2	5
Электродвигатель	1	0,16
Автоматический выключатель	10	6
Тепловая защита двигателя	1	5
Электромагнитное реле	14	4
Клеммные соединения	68	2,5
Светодиодный индикатор	7	0,2
Блок питания	22	0,3
Переключатель	1	6

Задачей расчета надежности является определение вероятности безотказной работы P(t) и средней наработки до отказа T_ср. Вероятность безотказной работы P(t) - вероятность того, что в заданном интервале времени не возникает отказ средств автоматизации. Интенсивность отказов X(t) - вероятность отказа неремонтируемых средств автоматизации в единицу времени при условии, что отказ до этого момента не возник.

1. Интенсивность отказа работы системы:

= 278.53*10^-6 , где =1/t_i

2. Среднее время наработки системы до первого отказа:

 = 3590 ч

3. Зависимость вероятности безотказной работы.

P(t)=

Рис.12 Зависимость вероятности безотказной работы P(t)=

4. Расчет параметров регулирующих органов

Различают теоретическую и рабочую статические характеристики регулирующего органа. Теоретическая характеристика строится при постоянном перепаде давления на клапане, а рабочая - при переменном перепаде. Регулирующие клапаны выпускаются с линейными и равнопроцентными (логарифмическими) статическими характеристиками. Рабочая характеристика отличается от теоретической тем, что если теоретическая характеристика регулирующего клапана линейна, то рабочая будет существенно нелинейной.

При расчете размеров регулирующих органов возможны три случая:

1) без учета влияния трубопроводной сети;

2) с учетом влияния трубопроводной сети для известной системы;

3) с учетом влияния трубопроводной сети для вновь проектируемой системы.

Таблица 7 Исходные данные к задаче №4

Показатели	Значение величины
Внутренний диаметр паропровода D, мм	200
Абсолютное давление пара на входе Ро, кПа	600
Максимальный расход пара Gmax, кг/ч	7200
Длина паропровода до РО l1, m	28
Местные сопротивления до РО: -резкие повороты (n1 поворотов под углом б)	1-40
- конфузор под углом ц	30
Минимальный расход пара Gmin, кг/ч	5000
Температура пара t1 °С	230
Длина паропровода до РО Lг, м	18
Местные сопротивления: --резкие повороты (n2 поворотов под углом а)	2-85
- диффузор под углом ц	65
Абсолютное давление пара на выходе Рк, кПа	230
Трубы паропровода	Бесшовные новые чистые

Порядок расчета и выбор регулирующего органа

1. Определяются н и µ при рабочих условиях по таблице( н = 0.3774 м³/кг, µ = 17.32 10^-6 Па с ) .

2. Вычисляется число Рейнольдса, отнесенное к диаметру трубопровода при G_мин . Расчет продолжается при условии, что Re ? 2000:

510763,63

где G_min - минимальный расход, кг/ч; D - диаметр трубопровода, мм;

µ - динамическая вязкость, 10^-6 Па с.

3. Определяется коэффициент трения для данного числа Re:

0.0132

Значение коэффициента трения лежит в пределах л = 0,010 - 0,045.

4. Рассчитывается суммарная длина паропровода:

5. Вычисляется средняя скорость в паропроводе при G_max:

где D - диаметр паропровода, м; р - плотность пара при t₁ и P₀ кг/м³

6. Определяются потери давления на трение в прямых участках паропровода при G_max'.

2.32 кПа

7. Находятся потери давления в местных сопротив. паропровода при G_max:

(0,5 + 1,0 + 0,08 +0.3 +1.0+ 0.91+ 0.24) = 3,08 кПа

8. Рассчитываются суммарные потери давления в паропроводе без регулир. органа :



9. Вычисляются суммарные потери (напор) с регулирующим органом:

,

где Р₀ - давление пара на входе, кПа; Р_к - давление пара на выходе, кПа.

10. Определяются потери давления на трение и местные сопротивления на отдельных участках до и после РО соответственно:

= 1,41 кПа

= 0,79 кПа

11. Находится давление пара на входе в регулирующий орган Р₁ и на выходе Р₂ соответственно:

Р₁ = Р₀ - ( 600 - ( 1,41 + 0,79) = 597,8 кПа

Р₂ = Р_к + ( 230 + (0,91 + 2,29 ) = 233,2 кПа

12. Рассчитывается критический перепад давления:

13. Вычисляется перепад давления на регулирующем органе:

14. Определяется режим течения пара из условия:

критический режим

15. Рассчитывается условная пропускная способность РО в зависимости от истечения пара:

а) для критического режима

м³/ч

где v₁ - удельный объем пара при t₁ и Р₁, м³/кг;

16. Находится расчетное значение пропускной способности, принимая значение коэффициента запаса Ю= 1,1-1,2:

76.92 = 92.3

17. По полученному значению выбираем регулирующий орган соответствующего типа из условия

Выбираем: двухседельныйсреднихрасходов 18. Рассчитывается пропускная способность трубопроводной линии по формуле, соответствующей докритическому режиму течения:



19. Вычисляется отношение к потерям давления в регулирующем органе при G_max по формуле : = 0,88

20. Определяются макс. и мин. относительные расходы:

- находится предв. значение макс. относительного расхода пара:

Рис .13 Рабочие расходные характеристики регулирующих клапанов с линейной теоретической характеристикой

- устанавливается истинное положение .

- рассчитывается минимальный относительный расход пара:

= 0.86

21. Определяем пропускная характеристика регулирующего органа:

а) по известным значениям , находим диапазон нагрузки L_max и L_min для РО: L_max = 0,75 , L_min = 0,48 с линейной пропускной характеристикой и с равнопроцентной характеристикой

L_max = 0,92 , L_min = 0,76

Рис.14 Рабочие расходные характеристики регулирующих клапанов с линейной теоретической характеристикой

Рис 4.3 Рабочие расходные характеристики регулирующих клапанов с лагорифмической теоретической характеристикой

б) по графикам вычисляем максимальные и минимальные значения коэффициента передачи регулирующего органа для принятого диапазона нагрузки и находим следующее отношение:

- для линейной пропускной характеристики



Рис.15 Коэффициенты передачи РО с линейной пропускной характеристикой

-для равнопроцентной пропускной характеристики =

Рис.16 Коэффициенты передачи регулирующих органов с логарифмической пропускной характеристикой

Регулирующий орган выбираем с наибольшим отношением коэффициентов передачи т.е. =

5. Спецификация на выбранные средства автоматизации

Наименование и техническая характеристика	Тип	Количество	Примечания
Датчик уровня	ВБЕ-Ц30	4	Стр. 10 Наличие воды и спирта в сборнике 3, 5
Датчик температуры	ТМР03	1	Стр. 10 Измерение температуры воды из сети
Датчик температуры	ДТ-ТВ	1	Стр. 6 Измерение температуры жидкости на выходе 2
Датчик давления	Манометр ДМ 05	1	Стр. 10 Измерение давления воды на входе 2
Регулятор давления	ОВЕН ТРМ148	1	Стр.6 Регулирование давления на входе 1
Датчик расхода и регистрации	ДРК4	2	Стр.7 Измерение и регистрация расходов на выходе 5 и на входе 1
Преобразователь частоты	Hitachi L100	1	Стр. 6 Преобразование частоты двигателя
Регулирующий клапан	Siemens VVF 21.25	1	Стр.7 Регулирует расход воды из сети
Эл. двигатель	АИР100L6	2	Стр. 6

Заключение

В данной работе была спроектирована конденсаторно-холодильная установка, был осуществлён выбор технических средств автоматизации, электрооборудования, в соотвествии с заданием были рассмотрены регулирующие контура, произведены регистрация и измерения необходимых параметров ,были предусмотрены необходимая сигнализация автоматическая блокировка, разработана принципиальная схема.

Для конденсации этилового спирта в качестве поглотителя была использована вода, так как вода является наиболее выгодным с экономической и химической точки зрения поглотителем.

Литература

ГОСТ 3044-94. Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики преобразования.

ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления ГСП.

Клюев, А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ пособие / А.С. Клюев [и др.]; под ред. А.С. Клюева. - Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

Петров, И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985.

Якубовская, Е.С. Автоматизация технологических процессов: практикум / Е.С.Якубовская, Е.С.Волкова. - Минск: БГАТУ, 2008. - 320с.

СТП БГАТУ 01.12.06 Стандарт предприятия. Общие требования к организации проектирования и правила оформления дипломных и курсовых проектов (работ): нормативное производственно-практическое издание. - Минск: БГАТУ, 2007. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru