Как видно из (3.32), характерной особенностью теплообменников смешения является нелинейность статических характеристик по каналам, связывающим расход любого вещества с температурой смеси и линейность характеристик по температурным каналам 1- и 2-.
При условии малых отклонений координат объекта от их заданных значений можно провести линеаризацию зависимости (3.32) и найти приближённо коэффициенты усиления объекта по каждому каналу.
Обозначим заданные значения входных и выходных координат через G10, G20, 20 и разложим функцию (3.32) в ряд Тейлора в малой окрестности G10, G20, 20.
Переходя к отклонениям y=-0, хР=G1-G01, xВ1=G2-G02, хВ2=2-02, получим уравнение статической характеристики в виде:
y=kРхР+k1xВ1+k2xВ2, (3.33)
где , , .
Рассмотрим несколько вариантов систем автоматизации теплообменников смешения и проведём их сравнительный анализ по качеству процессов регулирования.
Вариант 1. Задача стабилизации выходной температуры смеси решается применением одноконтурной замкнутой системы регулирования, в которой регулирующим воздействием является расход G1 (рис. 3.20). Использование регулятора с интегральной составляющей в законе регулирования (ПИ- или ПИД-регулятор) гарантирует поддержание заданного значения в установившемся режиме, однако качество переходного процесса может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущениях.
Рис.3.20. Функциональная (а) и структурная (б) схемы замкнутой одноконтурной АСР температуры в теплообменнике смешения.
Вариант 2. Включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G2 (рис. 3.21). Это разомкнутая система регулирования, способная обеспечить инвариантность регулируемой температуры смеси к возмущениям по расходу G2, однако при наличии любого другого возмущения не будет равна заданной.
Рис.3.21. Функциональная (а) и структурная (б) схемы разомкнутой АСР температуры в теплообменнике смешения.
Вариант 3 - система регулирования соотношения расходов G1 и G2 с коррекцией коэффициента соотношения по выходной температуре смеси (рис.3.22), т.е. двухкаскадная АСР. Основным (внешним) регулятором является регулятор температуры 1, а вспомогательным (внутренним) - регулятор соотношения 2, осуществляющий компенсацию возмущения по расходу G2 .
Рис. 3.22. Функциональная (а) и структурная (б) схемы разомкнутой АСР температуры в теплообменнике смешения с компенсацией двух возмущений:
1 - регулятор соотношения; 2 - компенсатор.
Вариант 4 - система регулирования температуры смеси с коррекцией по двум возмущениям - G2 и 2 , т.е. комбинированная АСР. Динамический компенсатор 2 (рис. 3.23) в данном случае должен содержать вычислительное устройство для расчёта корректирующей поправки на задание по выходной температуре регулятору 1 в зависимости от расхода и температуры второго потока.
Из рассмотренных примеров систем автоматизации наилучшее качество регулирования обеспечивают два последних варианта. При этом, в случае приборной реализации систем, предпочтительнее четвёртый вариант, который легко выполняется на серийных промышленных регуляторах. При использовании ЦВМ или микропроцессорной техники реализация любой из этих систем не представляет затруднений.
Рис. 3.23. Функциональная (а) и структурная (б) схемы комбинированной АСР температуры в теплообменнике смешения:
1 - регулятор температуры; 2 - компенсатор.
Лекция № 11. Автоматизация процесса перемешивания
Общая характеристика процессов перемешивания в жидких средах.
Перемешивание - гидромеханический процесс взаимного перемещения частиц в жидкой среде с целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.
Цели перемешивания
Создание суспензий - обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;
Образование эмульсий, аэрация - равномерное распределение и дробление до заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;
Интенсификация нагревания или охлаждения обрабатываемых масс;
Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).
Основные схемы перемешивания.
Механическое - перемешивание мешалками, вращающимися в аппарате с перемешиваемой средой.
Барботажное - перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.
Циркуляционное перемешивание - перемешивание, осуществляемое путем создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.
Объект управления
Объект управления - емкость с мешалкой, аппарат непрерывного действия, в котором смешиваются две жидкости А (с концентрацией целевого компонента Са) и Б (с концентрацией целевого компонента Сб) для получения гомогенизированного раствора с заданной концентрацией целевого компонента Сем.
Схема объекта управления.
Рис. 1.1.
Показатель эффективности процесса - концентрация целевого компонента в гомогенизированном растворе (смеси) - Сем.
Цель управления процессом - обеспечение заданной концентрации смеси при эффективном и интенсивном перемешивании.
Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).
Однако в реальных условиях технологические объекты подвержены действию внешних и внутренних возмущений, которые приводят к отклонению технологических режимов работы от расчетных.
Задача разработки системы автоматизации обеспечить в условиях действия внешних и внутренних возмущений в процессе эффективное и интенсивное его функционирование с требуемыми характеристиками качества.
Теоретические аспекты процесса механического перемешивания
* При вращении лопасти мешалки в аппарате возникает вынужденное движение жидкости. которое описывается критериальным уравнением вида:
где
* модифицированный критерий Эйлера EuN, :
* модифицированный критерий Рейнольдса ReM
* геометрический симплекс Г:
где ём - диаметр мешалки, м;
п - скорость вращения мешалки, об /с;
р - плотность жидкости, кг/мА3;
NM - мощность, потребляемая мешалкой, вт;
р, - динамическая вязкость, Па*с;
Kn - критерий мощности.
Методика расчета конструктивно-технологических параметров процесса механического перемешивания.
1. Выбирают тип мешалки, ее диаметр dM. Размеры аппарата DАПП и НАПП.
2. Определяют коэффициент Ст в зависимости от размеров аппарата и тина перемешивающего устройства.
3. Определяют число оборотов мешалки:
4. Рассчитывают ReM по соотношению (3).
5. По графику KN = f(ReM) находят KN
6. Рассчитывают NM из выражения (2):
7. Рассчитывают мощность Нцв, потребляемую приводом перемешивающего устройства:
где К - поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности аппарата и перемешивающего устройства; rinep - к.п.д. передачи.
В реальной установке непрерывного действия :
Материальный баланс по целевому компоненту
Уравнение динамики:
Уравнение статики при
На основании (1) (2) можно принять:
Материальный баланс по всему веществу
На основании (4) (5) можно принять:
Информационная схема
Управляемые переменные - Ссм и hCM .
Возможные контролируемые возмущения: СА,СБ, причем задано, что СЛ » СБ.
Возможные управляющие воз действия :GA,GE,GCM.
* Однако, в данном случае, GCM определяется последующим технологическим процессом и поэтому не может использоваться в качестве регулирующего воздействия.
Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по целевому компоненту
Уравнение динамики в нормализованном виде
Начальные условия для вывода передаточной функции по каналу управления GА-ССМ
Уравнение статики
Уравнение динамики в приращениях:
(после постановки начальных условий в выражение (1), вычитания уравнения статики(2) и приведения подобных членов):
Уравнение динамики с безразмерными переменными:
Нормализованное уравнение динамики объекта во временной области без учёта транспортного запаздывания:
Уравнение динамики по каналу управления GА-ССМ во временной области с учётом транспортного запаздывания:
Передаточная функция объекта по каналу управления GА-ССМ :
где:
где VТРУБ - объём трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.
Анализ уравнения динамики на основе материального баланса по всему веществу
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
