Оптимизация работы теплообменных аппаратов
Требования к работе теплообменных аппаратов. Условие термодинамической согласованности. Варианты изменения управляющего воздействия. Алгоритм построения математической модели теплообменного аппарата. Результаты расчетов характеристик переходных процессов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.10.2020 |
| Размер файла | 359,8 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://allbest.ru
Кафедра Электротехники и Электропривода
Оптимизация работы теплообменных аппаратов
д.т.н. Завьялов В.А. , инж. 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 теплоносителят.е. ?t = 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
Рис. 3. Варианты изменения управляющего воздействия
На рис. 3 видно, что оптимальная работа ТО дает довольно большую экономию горячего теплоносителя, что далее на примере конкретного расчета это будет показано.
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
где:
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:
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.
теплообменный аппарат термодинамический
Рис. 10. Переходный процесс САУ трехступенчатым теплообменником
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%.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Применение и классификация теплообменных аппаратов. Принцип работы кожухотрубного теплообменного аппарата. Необходимость проведения гидравлического, конструктивного и проверочного тепловых расчетов. Построение температурной диаграммы теплоносителей.
курсовая работа [364,5 K], добавлен 23.11.2012Классификация теплообменных аппаратов. Конструктивный тепловой расчет. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу, действительные температуры теплоносителей. Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками.
курсовая работа [873,5 K], добавлен 11.03.2013Применение теплообменных аппаратов, принцип их действия. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, линзовым компенсатором на кожухе, плавающей головкой и U-образными трубами. Конструктивный и проверочный тепловой расчет аппарата.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 22.08.2015Классификация теплообменных аппаратов в зависимости от расположения теплообменных труб, перегородок в распределительной камере и задней крышке, продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве. Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник.
курсовая работа [194,2 K], добавлен 27.12.2015Общая характеристика теплообменных аппаратов и их применение в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Конструктивный, проверочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата, построение температурной диаграммы.
курсовая работа [663,7 K], добавлен 10.10.2011Классификация теплообменных аппаратов по принципу действия (поверхностные и смесительные). Особенности подбора устройства. Схема кожухотрубного теплообменника. Основные удельные показатели, которые характеризуют эффективность теплообменных аппаратов.
презентация [206,5 K], добавлен 28.09.2013Классификация теплообменных аппаратов (ТОА), требования к ним. Выбор схемы движения теплоносителей при расчете устройства, определение их теплофизических свойств. Коэффициент теплоотдачи в ТОА, уточнение температуры стенки и конструктивный расчет.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.11.2013Теплофизические свойства теплоносителей. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Определение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.
курсовая работа [413,5 K], добавлен 19.10.2015Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение. Суммарный коэффициент теплоотдачи. Определение лучистого теплового потока. Теплопередача через плоскую стенку. Типы теплообменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и теплопередачи.
реферат [951,0 K], добавлен 27.01.2012Моделирование статических нерасчетных режимов теплообменных аппаратов. Расчет статических характеристик ступени охлаждения. Моделирование движения реального рабочего вещества во вращающихся каналах. Расчет рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 01.03.2015
