Автоматизация теплообменников

Передачу тепла от горячих теплоносителей к более холодным осуществляют в теплообменниках. Различают теплообменники непосредственного смешения теплоносителей и поверхностные теплообменники, в которых тепло передается через глухую разделительную стенку. В последних теплопередача может протекать без изменения агрегатного состояния теплоносителей (нагреватели, холодильники) и с изменением агрегатного состояния (испарители, конденсаторы).

Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании постоянства температуры Тсм суммарного потока на выходе. Входными величинами теплообменника являются расходы жидкостей на входе (F ₁ и F ₂) и их температуры (Т ₁ и Т ₂). Если Т ₂ > Тсм > Т ₁, а также если удельные теплоемкости и плотности жидкостей обеих потоков одинаковы, то зависимость Тсм от входных величин находится из уравнения теплового баланса (потерями пренебрегаем):

Температуру Т _СМ обычно стабилизируют посредством изменения расхода одного из входных потоков. Теплообменники смешения обладают малым запаздыванием и значительным самовыравниванием.

Регулирование поверхностных теплообменников, заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, температуры T _x2

а б

Температура Т _х2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку:

Решая (*) совместно с уравнениями теплового баланса, получают зависимость Т _х2 от входных переменных. Как правило Т _х2 регулируют изменением расхода горячего теплоносителя, однако расчеты показывают, что она более чувствительна к нагрузке холодного теплоносителя, чем к расходу горячего теплоносителя. В связи с этим затрудняется качественное регулирование теплообменников в широком интервале изменения расходов теплоносителей и требуются регуляторы с дифференциальной составляющей.

Если по условиям технологии не допускается изменение потоков теплоносителей, то температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путем байпасирования части продукта и изменения его расхода. При этом регулирующий клапан устанавливают на байпасной линии (рис. б).

Если в качестве греющего агента применяют водяной пар, то температуру технологического продукта обычно регулируют путем изменения подачи пара (рис. а). При значительных колебаниях давления пара применяют каскадную систему регулирования давления пара с корректировкой по температуре нагретого продукта.

Возможно также регулирование скорости теплопередачи путем поддерживания постоянства температуры продукта на выходе из теплообменника клапаном, установленным на линии отвода конденсата (рис. б). Это приводит к частичному заполнению теплообменника конденсатом. Такая система реагирует медленнее, чем система с клапаном, установленным на линии подачи греющего пара. Но она позволяет лучше использовать тепло водяного пара, так как значения его давления и температуры более высоки, вследствие отсутствия дополнительных гидравлических сопротивлений на паропроводе, а отводимый конденсат принимает температуру несколько меньшую, чем температура конденсации пара. Это позволяет повысить эффективность работы теплообменника на 5 – 7%. Кроме того, клапан, установленный на линии отвода конденсата, будет меньше по размерам того, который установлен на линии подачи греющего пара.