Лекция №12. Регулирование кожухотрубных теплообменников

Рассмотрим теплообменники с изменяющимся агрегатным состоянием веществ. Особенность этих теплообменников как объектов регулирования состоит в том, что при постоянном давлении /у и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (или V\_y перегрева образующегося пара) температура жидкой и паровой фаз одинакова и по ней нельзя судить об интенсивности процесса испарения или конденсации. В этом случае основным показателем процесса теплообмена является уровень жидкой фазы.

Постоянство температуры в той части теплообменника, где происходит конденсация или испарение вещества, позволяет рассматривать ее как звено с сосредоточенными параметрами. Ту часть теплообменника, в которой происходит лишь нагрев или охлаждение вещества и температура изменяется по длине теплообменника, следует рассматривать как звено с распределенными параметрами.

Рис. 1. Принципиальная схема парожидкостного теплообменника.

Для теплообменников этого типа задача регулирования и выбор системы автоматизации диктуются назначением аппарата. В теплообменниках, предназначенных для нагрева вещества до заданной температуры за счет тепла конденсации греющего пара (или для охлаждения вещества за счет отбора тепла испаряющейся жидкостью), задачей регулирования является стабилизация температуры технологического потока на выходе из теплообменника. В испарителях или конденсаторах, предназначенных для испарения или конденсации технологического потока, задача регулирования сводится к поддержанию материального баланса по технологическому потоку.

Рассмотрим особенности динамических характеристик этого типа теплообменников на примере кожухотрубного парожидкостного теплообменника, предназначенного для нагрева жидкости от температуры до (рис. 1). Примем, что пар — насыщенный, а конденсат отводится при температуре конденсации.

Рассмотрим несколько вариантов систем регулирования выходной температуры технологического потока в паровых теплообменниках на примере парожидкостного теплообменника.

Вариант 1. Одноконтурная замкнутая АСР (рис. 2.45) при использовании ПИ- или ПИД-регулятора гарантирует регулирование температуры без статической ошибки, однако при сильных возмущениях по расходу или температуре жидкости качество переходного процесса может оказаться неудовлетворительным.

Рис. 2. Схема одноконтурной АСР температуры жидкости в парожидкостном теплообменнике.

Вариант 2. Введение динамической компенсации возмущений по или оказывается нецелесообразным, так как теоретические компенсаторы физически нереализуемы, а использование приближенных компенсаторов может оказаться неэффективным. Поэтому на практике ограничиваются статической компенсацией этих возмущений. Примером таких систем является каскадная АСР соотношения расходов Gn/Gx с коррекцией по (рис. 3)

Рис. 3. Каскадная АСР температуры жидкости в парожидкостном теплообменнике (с регулятором соотношения расходов во внутреннем контуре).

Вариант 3. Каскадная система регулирования температуры (или давления) в межтрубном пространстве с коррекцией задания по (рис. 4.) будет эффективной при сильных возмущениях по давлению или температуре греющего пара. Температура (или давление) в кожухе в данном случае играет роль промежуточной координаты, которая быстрее реагирует на эти возмущения, чем выходная температура жидкости.

Рис. 4. Функциональная (а) и структурная (б) схемы каскадной АСР температуры в парожидкостном теплообменнике (с регулятором температуры конденсата во внутреннем контуре): 1 – регулятор температуры жидкости; 2 – регулятор температуры конденсата в кожухе.

Вариант 4. Если требуется высокое качество регулирования, целесообразно применение схемы с байпасированием технологического потока вокруг теплообменника и последующим смешением нагретого и холодного потоков. В этом случае появляется дополнительное управляющее воздействие — распределение потоков Gx и G2. На рис. 5 показан пример системы автоматизации такого теплообменника. Регулятор температуры выполняет вспомогательную функцию— стабилизацию температуры 0"; главная задача — регулирование температуры жидкости после смешения — возлагается на регулятор 2. В такой системе качество регулирования 0ВЫх определяется динамикой второго контура, в котором объект представляет собой практически безынерционное звено, так как при малом объеме камеры смешения постоянная времени процесса смешения практически равна нулю (Рис. 5.).