[RATINGS]

УДК 681.51:69

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Кафедра Электротехники и Электропривода
Завьялов В. А., научный руководитель, д.т.н.
Крылов Е. Н., аспирант
Московский государственный строительный университет (МГСУ)

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)

ris.jpg
Рис. 1. Здесь: t1 – температура горячего теплоносителя, t2 — холодного теплоносителя т.е. Δt = 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).

ris.jpg
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

ris.jpg
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.

ris.jpg
Рис. 4. Расчетная схема ТО

ris.jpg

ris.jpg

Канонический вид:

ris.jpg

или

ris.jpg

Система конечно-разностных уравнений для расчетов на ЭВМ:

ris.jpg

Структурная схема объекта управления выглядит таким образом:

ris.jpg
Рис. 5. Структурная схема ТО

где:

ris.jpg

Проведя преобразования структурной схемы, в соответствии с правилами преобразований, можно получить следующую схему:

ris.jpg
Рис. 6. Упрощенная структурная схема ТО

где:

ris.jpg

Передаточные функции объекта по каналам горячей и холодной воды записываются в виде:

ris.jpg

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:

ris.jpg
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

ris.jpg
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.

ris.jpg
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.

ris.jpg
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%.

Эта запись была опубликована 28.01.2008в 7:23 пп. В рубриках: Контроль температуры, Предложенные аспирантами, АСУ, Моделирование, Все статьи. Вы можете следить за ответами к этой записи через RSS 2.0. Вы можете оставить свой отзыв или трекбек со своего сайта.

Оставьте свой отзыв

Примечание: Осуществляется проверка отзывов на соотвествие правилам, и это может задержать их публикацию. Отправлять отзыв повторно нет необходимости.