47962

Масообмінні процеси

Конспект

Производство и промышленные технологии

Використання таких технологічних методів як повторний стиск пари дозволяє значно зекономити енергію. Трьохкорпусний випарний апарат з прямотечійним рухом пари і розчину 1 Явище перенесення тепла в рідинах газах або сипких середовищах потоками самої речовинине важливо вимушено чи мимоволі. В кожному корпусі кількість утвореної пари менша від кількості сконденсованої пари внаслідок збільшення прихованої теплоти пароутворення при зниженні тиску і температури. Труднощі пов'язані із транспортуванням в'язких розчинів можна вирішити шляхом...

Украинкский

2013-12-04

1.96 MB

19 чел.

Частина III. Масообмінні процеси

Розділ 6. Випарювання

Значна частина енергії, що споживається промисловістю затрачається на розділення та очистку речовин за допомогою масообмінних процесів. В цих процесах зміна складу сумішей виконується в основному дифузійним, а не механічним шляхом. Тому такі технологічні процеси, як фільтрація та відстоювання, в цьому розділі взагалі не розглядаються.

Так як основну увагу в цій книзі приділяють економії енергії, то як об'єкти вивчення вибрані найбільш енергомісткі масообмінні процеси. Основною метою всіх цих процесів є отримання кінцевих продуктів з більш впорядкованим станом речовини із сировини, що характеризується меншою впорядкованістю. Таке зниження ентропії2 системи досягається, зазвичай, шляхом підведення тепла. Оскільки кінцевий продукт містить не більше енергії, ніж сировина, то все тепло, що підводиться для їх виділення, в кінцевому результаті відводиться в навколишнє середовище. Тобто, маємо можливість значної економії енергії шляхом більш ефективного способу виконання цих процесів. Для визначення ефективності процесу розділення використовується метод ентропійного аналізу. Цей метод не є традиційним при оцінці масообмінних процесів, однак він може виявити нові шляхи збільшення економії енергії.

Процес випарювання вибраний для введення в об'єкт регулювання масообмінних процесів, тому що цей процес простий в математичному вираженні, але ще складний в регулюванні. Використання таких технологічних методів, як повторний стиск пари, дозволяє значно зекономити енергію. Однак ці методи описуються термодинамічними співвідношеннями, які необхідно зрозуміти до того, як ефективно використовувати в регулюванні.

6.1 Системи випарювання

Випарювання - це процес виділення леткої рідини із нелеткої твердої речовини шляхом підведення тепла. Протягом багатьох століть такий спосіб використовується для екстракції3 солі з морської води за допомогою сонячної енергії. На цукровому заводі в Новій Англії концентрування цукрового сиропу виконується шляхом кип'ятіння на вогні.

Технологічний процес концентрування розчинів шляхом виділення розчинника і перетворення його на пару.

Фізична величина, яка в спостережуваних явищах і процесах характеризує знецінювання(розсіювання) енергії, зумовлене перетворенням усіх її видів на теплову і рівномірним розподілом тепла між тілами.

Спосіб розділення суміші речовин на складові частини за допомогою розчинника, в якому вони розчиняються неоднаково.


В більшості процесів випарювання тверді матеріали являють собою більш цінний продукт, ніж видаляючий розчинник. Випарювання використовується також і для отримання прісної води із морської води, промислових розчинів і стоків, тверді продукти яких є менш цінними.

Випарювання відрізняється від сушіння тим, що воно здійснюється при відсутності повітря або інших газів, що не конденсуються. Рівняння рівноваги стану при сушінні ускладнюється через необхідність обліку ще одного додаткового параметру.

6.1.1 Багатокорпусне (багатоступеневе) випарювання

Використання підігріву для отримання цукрового сиропу надзвичайно неефективне. Процес все одно буде неефективним навіть в тому випадку, коли втрати тепла мінімальні і коефіцієнт надлишку повітря ретельно регулюється. На сучасних промислових підприємствах для концентрації цукрових розчинів і сиропів застосовується багатоступінчате (багатокорпусне) випарювання з багаторазовим використанням енергії, що підводиться.

На рис 6.1 показано трьохкорпусний випарний апарат для концентрації розведеного розчину. Якщо транспортування кінцевого продукту не викликає ускладнень через високу в'язкість або наявність в ньому плаваючих твердих частинок, і якщо він термостійкий, то можна використовувати випарні апарати значної ємності. Зазвичай в них розташований великий жмут теплообмінних труб, який називається трубчастим кип'ятильником випарного апарату. Парозбірник завантажений трубами, по яких під дією природної конвекції1 циркулює кипляча рідина.

Рис. 6.1. Трьохкорпусний випарний апарат з прямотечійним рухом пари і розчину

1 Явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини(не важливо, вимушено чи мимоволі).


Відведена з першого корпусу вторинна пара конденсується киплячою рідиною в другому корпусі, що має нижчий тиск тощо. В кожному корпусі кількість утвореної пари менша від кількості сконденсованої пари внаслідок збільшення прихованої теплоти пароутворення при зниженні тиску і температури. Для передачі потрібної кількості тепла кожна поверхня теплообміну повинна мати відповідний градієнт температури. Ця різниця температури врешті визначає тиск в різних корпусах і теплову економічність установки в цілому.

Випарювання таких нечутливих до впливу температури продуктів, як, наприклад, морська вода, може здійснюватись в тринадцятикорпусному випарному апараті. Внаслідок збільшення прихованої теплоти пароутворення і втрат тепла, кожний наступний корпус випарного апарату є менш ефективним, ніж попередній, що не стимулює додаткових капіталовкладень для їх побудови. Для випарювання таких термочутливих продуктів, як харчові продукти, необхідно обмежуватись двома або трьома корпусами. Температура в останньому корпусі обмежується як кількістю охолоджуючої води, так і в'язкістю кінцевого продукту, тоді як температура першого корпусу визначається лише термостійкістю твердої речовини.

Незважаючи на те, що розбавлені розчини можуть випарюватись в трьох-або чотирьохкорпусних апаратах, кінцеві продукти, що мають концентрацію 75-85%, зазвичай піддаються технологічній обробці в двохкорпусній установці.

Труднощі, пов'язані із транспортуванням в'язких розчинів, можна вирішити шляхом зміни напряму руху гріючої пари і випарюваного розчину. На рис. 6.2 зображені випарні апарати з протитечійним і змішаним напрямком руху пари і розчину. Необхідно зазначити, що корпуси завжди нумеруються в одному і тому ж порядку: від корпуса з найбільшим тиском до корпуса з найменшим тиском.

В промисловості використовуються найрізноманітніші схеми руху потоків. В деяких процесах два корпуси працюють по паралельній схемі підводу пари і по послідовний схемі подачі випарюваного розчину. Така система використовується при обробці відходів перегонки, коли корпуси 1а і 1б отримують гріючу пару з одного і того ж колектора і скидають його в корпус 2, а розчин рухається в зворотному напрямку з корпуса 2 послідовно в корпус 1а і після 1б.

З метою зниження до мінімуму часу перебування термочутливих матеріалів при підвищених температурах розроблені спеціальні конструкції випарних апаратів.


Рис. 6.2. Випарні апарати з протитечійним (а) і змішаним (б) напрямком руху

пари і розчину

Рис. 6.3. Випарний апарат з пропусканням невеликих кількостей рідини

У випарній установці (рис. 6.3) інтенсивна подача тепла здійснюється через систему труб малого діаметра 3 і 4. Нагрітий розчин тоді потрапляє в випарник, де відбувається розділення пари і рідини. Час перебування матеріалу в зоні підвищених температур зменшується до мінімуму за рахунок малих витрат рідини і одноразового її пропускання через апарат, тобто без циркуляції. Такі випарні апарати швидко запускаються в роботу, але є чутливими до порушень їх режиму роботи і важкими в регулюванні.


6.1.2 Масовий та енергетичний баланси

Розглянемо випарний апарат, в якому підвищується концентрація вихідного розчину, що має масову витрату Fo, від початкової масової частки твердої речовини wo до кінцевої масової частки wn. Якщо витрата кінцевого продукту Fn, то баланс маси для твердої речовини описується рівнянням:

Загальний баланс маси для багатокорпусного випарного апарату буде враховувати всю кількість вторинної пари, видаленої з різних корпусів:

Об'єднавши ці два рівняння, отримаємо кількість вторинної пари, яку необхідно видалити для досягнення необхідної кінцевої концентрації розчину:

Кількість видаленої в першому корпусі вторинної пари пов'язана з кількістю гріючої водяної пари, що потрапляє в перший корпус, і з її термічним к.к.д. Е такою залежністю:

Аналогічно кількість вторинної пари, видаленої з другого корпусу, пов'язана з кількістю пари, виділеної в першому корпусі, відношенням:

Таку послідовність можна продовжувати до n корпусів і після просумувати окремі витрати вторинної пари:

Збільшення ентальпії1   вторинної пари, що утворюється в процесі

випаровування в даному корпусі, не дорівнює точно її прихованій теплоті пароутворення.

При прямотечійній схемі руху потоків розчин, що потрапляє в наступний корпус, внаслідок пониженого тиску буде мати більш високу температуру кипіння. Пара, що потрапляє в кожен наступний корпус, внаслідок підвищення температури кипіння розчину перегрівається.

З точки зору сумарного енергетичного балансу, ці фактори незначні. Кінцевий продукт, виходячи з прямотечійного випарного апарату, має приблизно

Термодинамічний потенціал, що характеризує стан термодинамічної системи при виборі як основних незалежних змінних ентропії (S) і тиску (Р).


ту саму температуру, що і вихідний розчин.

Якщо приховану температуру пароутворення використовувати для оцінки в рівнянні (6.6), то можна легко підрахувати відношення кількості гріючої пари і вторинної пари для будь-якого випарного апарату. В табл.6.1 приведені ці

співвідношення для  випарних  апаратів,  що  мають  число  корпусів  п=8,

починаючи з температури Т=52°С в останньому корпусі, з припущенням, що різниця температур між корпусами складає 18 °С, а к.к.д. дорівнює 97%.

Таблиця 6.1.1

Співвідношення між гріючою парою і вторинною парою в залежності від числа корпусів при к.к.д. рівному 97%

6.1.3 Підвищення температури кипіння1

З наведених вище міркувань можна побачити, що шляхом зменшення перепаду температури в кожному корпусі можна збільшити число корпусів, отримавши значну економію гріючої пари. Перепад температури в корпусі можна до деякої степені зменшити шляхом збільшення відношення поверхні теплообміну до теплового потоку. Але навіть при великій поверхні або при малому потоці ( як і при умові низького теплового навантаження) в корпусі зберігається залишковий перепад температури, зумовлений підвищенням температури кипіння.

Підвищення температури кипіння, зумовлене присутністю нелеткої твердої

1 Процес переходу рідини до пари, який характеризується, на відміну від випаровування, тим, що утворення пари відбувається не тільки на поверхні, але й в усій масі рідини.


речовини в розчині, випливає безпосередньо з фізичних законів і навіть може бути використане для розрахунку молекулярних мас твердих матеріалів. Наприклад, температура кипіння 1кг води при атмосферному тиску підвищується на ~ 0.5°С завдяки присутності одного моля нелеткої розчинної речовини. Цей показник змінний, він змінюється в залежності від температури:

де-підвищення температури кипіння, R=8.314 кДж/(кмоль*К) - універсальна газова стала, Т - нормальна температура кипіння в одиницях абсолютної шкали, - теплота пароутворення і х - мольна частка розчиненої речовини.(Одиниці виміру можуть бути як британські, так і метричні). В таблиці 6.2 приведені дані про підвищення температури кипіння розчинів сахарози при атмосферному тиску в залежності від концентрації твердих речовин w в даному розчині [1].

Оскільки підвищення температури кипіння є функцією мольної, а не масової частки, тоді розчинені речовини, які мають більш низьку молекулярну масу, будуть істотно впливати на її величину. Розчин сахарози (молекулярна маса 342), що є 50%-ий в масовому вираженні, представляє собою лише 5% розчин в перерахунку на молі, тоді як 50%-ий по масі розчин каустичної соди (молекулярна маса 40), є 21%-им в мольному еквіваленті. Отже, при атмосферному тиску підвищення температури кипіння розчину каустичної соди складатиме ~ 11,12°С або буде в 6 раз перевищувати температуру кипіння розчину сахарози.

Таблиця 6.1.2

Перевищення температури кипіння розчинів сахарози при атмосферному тиску

З точки зору мінімізації перепаду температури між корпусами, підвищення температури кипіння стає важливим фактором лише в концентрованих розчинах. Наприклад, розчин цукру може випарюватись від початкових 20% мас твердої речовини до кінцевих 80% мас в трьохкорпусному випарному апараті. Згідно з уже наведеним рівнянням балансу маси і енергії, розрахункові концентрації розчину в


цих корпусах дорівнюють 27,41 і 80 %мас. відповідно. Підвищення температури кипіння в кожному з трьох корпусів складає: 0.6; 1.0; 6.8°С відповідно з врахуванням поправок на температуру і теплоту пароутворення згідно з рівнянням (6.7). Відповідно, лише підвищення температури кипіння в останньому корпусі вносить суттєвий вклад в різницю температур між окремими корпусами.

Тиск в будь-якому корпусі випарного апарату визначається температурою конденсації вторинної пари. Але, як вже показано, в залежності від концентрації розчину температура кипіння може перевищувати температуру конденсації пари. Тоді вторинна пара, що утворилася з розчину, перегрівається завдяки підвищеній температурі кипіння. Тому в прямотечійних випарних апаратах найбільше підвищення температури кипіння спостерігається в останньому корпусі і визначається різницею температур корпуса і охолоджуючої води. В протитечійних системах найбільше підвищення температури кипіння буде мати місце між першим і другим корпусами.

6.1.4 Ентропійний аналіз

В дійсності трьохкорпусний випарний апарат не настільки економічний, як це може здаватися на перший погляд. Порівняння зниження рівня ентропії сировини і зростання рівня ентропії навколишнього середовища підтверджують цей висновок. Розглянемо схему ентропійного аналізу трьохкорпусного випарного апарату для концентрування розчину сахарози від первинних 20 % мас до кінцевих 80 % мас (рис 6.4). Нехай параметри гріючої пари відповідають умовам для перших трьох корпусів, що представлені в таблиці 6.1.

Рис. б. 4. Схема ентропійного аналізу випарного апарата


Баланси маси і енергії процесу показують, що за допомогою 1 кг гріючої пари може бути сконцентровано 3.6 кг первинного розчину. Якщо припустити, що температури первинного розчину і кінцевого продукту однакові, то отримане зниження ентропії зв'язане тільки з складом розчину. При 20% твердої речовини вихідний розчин містить 0.72 кг сахарози1 і 2.89 кг води на 1 кг гріючої пари.

При розподілі молекулярних мас сахарози (342) і води (18), вихідний розчин можна представити як розчин, що складається з 0,00211 моля сахарози і 0.16 моля води з сумарним мольним вмістом 0.162. У такому випадку мольна частка сахарози складає 0,013. Ентропія вихідної суміші, згідно рівняння (1.21), дорівнює 0,262 кДж/К на 1 моль випареного розчину, або 0,094 кДж/К на 1 кг гріючої пари. Використовуючи той же метод оцінки для кінцевого продукту, що містить 0,9 кг, або 0,0121 моля речовини, при 0,174 - мольній частці сахарози, отримуємо ентропію 0,877 кДж/К на 1 моль, або 0,023 кДж / К на 1 кг гріючої пари. Оскільки ентропія сконденсованої вторинної пари, по суті, дорівнює нулю, то сумарне зниження ентропії процесу рівне 0,094 -0,023 = 0,071 кДж/К на 1 кг гріючої пари.

Кожен кілограм гріючої пари віддає свою приховану теплоту 2251 кДж в першому корпусі. Це тепло в кінцевому рахунку виводиться у довкілля у вигляді теплових втрат і тепла води конденсатора (циркуляційної води). Ентропія гріючої пари знижується при конденсації на величину 2250 кДж / кг, поділену на його абсолютну температуру 273+106°С, що дає зниження ентропії на 5,93 кДж/(кг'К). Та ж кількість тепла, що повернулася в навколишнє середовище при Т = 29.4° С, збільшує її ентропію на 7.44 кДж/К на 1 кг гріючої пари. Чистий приріст ентропії системи нагрівання й охолодження складає 1.51 кДж/К на 1 кг гріючої пари, що представляє собою 21 - кратне зниження ентропії процесу.

Якщо з метою зведення до мінімуму градієнтів температури, збільшити всі поверхні теплообміну, то підвищення точки кипіння все ще збережеться. За цих умов загальне підвищення температури кипіння становитиме ~ 8,34 °С. Тоді гріюча пара зможе випарювати тільки при температурі 37,78 °С. Навіть при такій мінімальної різниці температур, зростання ентропії системи нагрівання і охолодження при тій же кількості вихідного розчину все ще складе 0.197 кДж / К, що представляє собою приблизно трикратне зниження ентропії процесу.

6.1.5. Цикли стиснення вторинної пари

Випарний апарат може отримувати енергію і тепло від механічних компресорів, що використовуються в циклах стиснення пари. Прикладом може бути   однокорпусна  випарна  установка  з   системою  механічного   стиснення,

Буряковий  та  тростинний  цукор,-глюкопіранозил--фруктофуранозид,   С12H22О11 — важливий дисахарид. Побутова назва — цукор.


описана в роботі [2] і показана схематично на рис. 6.5. Вона використовується для регенерації води з промислових стічних вод з утворенням сольових шламів, придатних для подальшої утилізації.

Після підігріву дистильованою водою вихідний розчин деаерують з метою видалення повітря і двоокису вуглецю. Потім його вводять в рециркулюючий шлам, що протікає по трубному пучку, де тепло абсорбується конденсуючою гріючою парою. Випаровування в цій системі відбувається при атмосферному тиску, оскільки система має деаератор1.

Виділена з шламу2 вторинна пара перегріта завдяки підвищенню температури кипіння на ~ 2,2 °С. її стискають до тиску -120 кПа і температури 126,7 °С, а конденсується вона при температурі ~ 105,6 °С, завдяки чому на поверхні теплообміну створюється різниця температур ~ 3.3 °С. Утворений конденсат використовують для підігріву вихідного розчину.

Рис. 6.5. Однокорпусна випарна установка з системою механічного стиснення

Спосіб оцінки роботи, що виконується компресором, описаний в роз. 5 відповідно до роботи теплових насосів. Рис. 5.2 і рівняння (5.1) - (5.5) відносяться

Пристрій, що широко застосовується для видалення повітря та інших розчинених газів з живильної води перед парогенератором.

Вугілля крупністю 0—0,5 мм, одержане в результаті мокрого збагачення.


до холодоагенту1, який рухається в замкненому циклі. У даному випадку цикл розімкнений, але використовуються ті ж рівняння. Різниця температур між джерелом і стоком тепла в випарному апараті визначається просто підвищенням точки кипіння і різницею температур на одиничній поверхні теплообміну. Тому відношення затраченої роботи до отриманого тепла буде значно нижче, ніж у звичайних системах охолодження.

Згідно з розрахунками, в описаному тут циклі стиснення вторинної пари для випаровування води при температурі 102,2 °С потрібно затратити 22.6 кДж. Відношення затраченої роботи до отриманого тепла в розглянутому процесі рівне 0,022, що відповідає 13,7 кВт/год електричної енергії на 1000 л води. З урахуванням додаткових витрат енергії на приведення в дію двигунів насосів, підвід десорбуючої пари в деаератор і теплових втрат, фактичне споживання енергії досягає 19 кВт/год на 1000 л води, що відповідає відношенню роботи до отриманого тепла, рівному 0,030.

Припускаючи, що електроенергія, необхідна для роботи апарату, виробляється за рахунок спалювання палива з термодинамічним к.к.д., що становить32%, теплова економічність системи така, що на 1 кДж тепла, що виділяється при спалюванні палива, вода, що випаровується, отримує10,7 кДж. Це еквівалентно отриманню більшої кількості вторинної пари, ніж цієї, що може утворюватися при пропусканні 1 кг гріючої пари через 15 корпусах звичайної випарної установки. А так як точка скорочення рентабельності досягається набагато раніше п'ятнадцятого корпуса, то можна сказати, що однокорпусний випарний апарат з циклом стиснення пара набагато економічніший від будь-якої кількості звичайних корпусів. Цього і слід було очікувати, оскільки на економічність такої системи впливає підвищення точки кипіння, причому в даному прикладі підвищення на 2,2 °С нижче, ніж у більшості інших системах.

Підведена до компресора чиста енергія врешті виводиться з випарного апарата у вигляді різниці фізичних теплот кінцевого продукту і вихідного розчину. Тоді без будь-яких інших джерел і стоків тепла температура кінцевих продуктів буде визначатися температурою вихідного розчину. Всмоктування в компресор відбувається при атмосферному тиску, оскільки через деаератор він пов'язаний з атмосферою. Якщо десорбційна обробка недостатня, то неконденсований газ буде впливати на теплообмін і знижувати к.к.д. циклу. Надмірна десорбційна обробка буде збільшувати втрати гріючої пари і тим самим знижувати к.к.д. циклу. Для отримання   кращих   характеристик   слід  регулювати   кількість   надходжуючої

Робоча речовина холодильної машини, яка при кипінні або в процесі розширення віднімаєтеплоту від охолоджуваного об'єкта і потім після стиснення передає її охолоджувальному середовищу (воді, повітрю тощо).


десорбційної пари шляхом регулювання перепаду тиску пари в деаератор, який вимірюється датчиком перепаду тиску, зображеним на рис. 3.6 та 3.7.

У деяких типах апаратів для випарювання з метою прискорення руху розчину температури повинні підтримуватися на мінімальному рівні. У цьому випадку для регулювання температури кінцевого продукту або абсолютного тиску в корпусі в цикл можна вводити додаткову кількість гріючої водяної пари.

У першому корпусі багатоступеневих випарних апаратів все більш широке застосування знаходять паростискаючі ежектори . У роботі [3] описана така система, в якій в перший корпус поступає не пара низького тиску, а пара, що має надлишковий тиск 0,103 МПа (рис. 6.6). Ежектор стискає деяку кількість вторинної пари першого корпусу до тиску гріючої пари в паровій коробці першого корпусу подібно до того, як це робиться механічним компресором. Для одержання 1 кг гріючої пари з тиском 0,103 МПа потрібно 0,474 кг гріючої пари з тиском 1,14 МПа, який стискає 0,526 кг вторинної пари першого корпусу, насиченої при температурі 82,2 ° С. На поверхні теплообміну виникає різниця температур 17,8 ° С.

Рис. 6. б. Система з додатковим паростискаючим ежектором

Представлена на рис. 6.7 діаграма тиск Р - ентальпія Е допомагає пояснити робочий процес компресора. При злитті двох потоків повинен досягатися баланс маси та ентальпії. Тому незалежно від термодинамічного к.к.д компресора, ентальпія суміші піддається визначенню. Якщо змішування носить необоротний характер, то стиснення відбуватися не буде, а суміш буде просто перегріватися до точки А. Це невигідно для системи, так як прихована теплота суміші не відновлюється.

Якщо стиск повністю оборотний, то ентропія буде зберігатися. Баланс ентропії суміші показує, що рівноважний стан має тоді перебувати на кривій насичення в точці В, в котрій відбувається стиснення до тиску0,21 МПа. Однак

Струминний насос для відсмоктування (при значному розрідженні) рідин, газів, пари або сипких мас за рахунок передачі кінетичної енергії від робочого середовища (що рухається) до відсмоктувального.


фактично рівноважний стан суміші досягається в проміжній між цими двома екстремумами точці С. При цьому частково зростає ентропія і суміш стає перегрітою до температури117,2 °С.

Рис. б. 7. Діаграма тиск - ентальпія

Відповідно до представленого на рис. 6.6 балансу маси, компресор додає ще один корпус у систему. Фактично в першому корпусі досягається випарювання, еквівалентне двокорпусному в тому сенсі, що при використанні лише 0,474 кг гріючої пари в ньому виділяється 0,965 кг вторинної пари. Проте в другий корпус надходить лише 0,444 кг вторинної пари. Тоді в другому і в усіх подальших корпусах буде практично утворюватися така ж кількість вторинної пари на 1 кг гріючої пари, що і без компресора. В цілому, компресор використовується замість одного ступеня випаровування.

У промислових умовах економічність роботи такої системи нижча, ніж у простого багатокорпусного випарного апарату. Трьохкорпусний випарний апарат із компресором буде видаляти ~ 4.7 кг вторинної пари на 1 кг гріючої пари, що має тиск 1.14 МПа. Семикорпусний випарний апарат без стискування може видаляти 5.6 кг вторинної пари на 1 кг гріючої пари при тому ж тиску (табл. 6.1). Однак при визначенні оптимальної технологічної схеми будь-якого процесу повинні розглядатися багато чинників і в тому числі температурні обмеження щодо кінцевого продукту, капітальні витрати та наявність достатніх кількостей гріючої пари.

6.2. Регулювання якості кінцевого продукту

Точний контроль якості кінцевого продукту є складовою частиною будь-якої програми економії енергії. Продукти, які йдуть на продаж, або навіть ті, які


просто надходять в іншу частину тієї ж самої установки, повинні відповідати граничним заданим вимогам. Відхилення від встановлених технічних вимог зазвичай тягне за собою певні наслідки - продукт повинен бути перероблений, використаний для будь-яких інших менш важливих цілей або змішаний з матеріалом більш високої якості. У всіх цих випадках втрачається енергія. Переробка, крім того, знижує продуктивність процесу і створює експлуатаційні проблеми, оскільки установка, призначена для сировини певного виду, не може ефективно працювати на незадовільно встановленим вимогам кінцевому продукті, який використовується в якості вихідного розчину. При переведенні кінцевого продукту в продукцію більш низької якості значна частина витраченої на його отримання енергії втрачається, оскільки для виготовлення продукції більш низької якості при контрольованих умовах буде вимагатися менше енергії. Втрати наявної роботи, викликаної змішуванням, описані в ч. 1.

Щоб виключити можливі втрати, пов'язані з отриманням кінцевого продукту, який не відповідає встановленим вимогам, більшість операторів намагаються здійснювати регулювання з великим запасом. Чим більше цей запас, тим менше вірогідність виходу якісних характеристик продукції за допустимі межі внаслідок можливих порушень нормальних умов роботи. Величина запасу безпосередньо пов'язана зі зміною якості продукції. Якщо зазвичай допускаються відхилення якостіх%, то оператор, як правило, встановлює позитивну межу регулювання + х% або ще більш високу у порівнянні з вимогами.

З цим режимом роботи пов'язані деякі додаткові труднощі. Більшість випарних агрегатів призначений для отримання концентрованого кінцевого продукту, що має заданий процентний вміст твердої речовини. Завищення встановлених вимог призводить до більшого вмісту твердої речовини в порівнянні з регламентом, і відповідно для досягнення більш високої концентрації розчину споживається більша кількість енергії. Крім того, можуть виникати й інші труднощі, такі, як зменшення кількості випущеного кінцевого продукту і забруднення поверхонь теплообміну надмірно концентрованим розчином.

6.2.1. Чутливість до збурень

Проблему регулювання найкраще можна представити за оцінкою чутливості якості кінцевого продукту до змін кількості тепла, що підводиться, а також до змін витрат і складу вихідного розчину. Виведені вище баланси маси і енергії забезпечують всю необхідну для цієї оцінки інформацію. Рівняння (6.3) можна вирішити стосовно до якості продукту:


Диференціювання   за дозволяє   оцінити   чутливість   концентрації

кінцевого продукту до зміни відношення кількості гріючої пари, що підводится,
до кількості вихідного розчину:
,

Вираження диференціала через концентрацію полегшує порівняння чутливості до різних умов роботи. Крім того, завдяки перетворенню знаменника у часткове відношення кількості гріючої пари та вихідної сировини оцінка не залежить від числа використовуваних корпусів

Приклад 6.1. Випарний апарат концентрує розчин з 20%-ним вмістом твердої речовини до вмісту 80%. Визначити вплив зміни витрат гріючої пари або вихідного розчину на 1% на концентрацію кінцевого продукту.

Зміна витрат гріючої пари або вихідного розчину на 1% може викликати відхилення концентрації кінцевого продукту від необхідних 80% на2,4%.

Як видно з прикладу, чутливість визначається переважно величиною відношення концентраційНайчастіше чутливість знаходиться в інтервалі

значень 2-5, внаслідок чого важко регулювати роботу випарних апаратів. Для регулювання якості продукту зазвичай керують або витратою гріючої пари, або витратою вихідного продукту при заданій пропускній здатності по другій витраті. Проте незалежно від вибору вкрай необхідно, щоб поведінку цих двох змінних було узгоджено.

Рівняння (6.8) можна, крім того, диференціювати по концентрації вихідного розчину. Незважаючи на те що остання не використовується для регулювання, вона тим не менш може істотно змінюватися, особливо в тих випадках, коли початковий розчин надходить порціями. Це, звичайно, порушує нормальні умови роботи апарату:

З рівняння (6.11) випливає, що чутливість концентрації кінцевого продукту до зміни концентрації вихідного розчину навіть вище, ніж чутливість до зміни


відношення витрат гріючої пари і вихідного розчину. Так, для умов прикладу 6.1 зміна на 1% концентрації вихідного розчину буде викликати зміну вихідного кінцевого продукту з випарного апарата на 4%. Отже, зміну складу вихідного розчину варто розглядати як один з можливих джерел порушення нормального режиму роботи.

Проте в характері протікання порушень є відмінності. Зміна витрат вихідної сировини може здійснюватися ступінчато шляхом дії оператора на регулюючий орган клапана чи завдання уставки регулятора витрати. Вплив цього порушення залежить від продуктивності випарного апарату. Зміна концентрації кінцевого продукту в багатокорпусних випарних апаратах з трубчастим теплообмінником може відбуватися дуже повільно, протягом приблизно півгодини, з переходом у новий встановлений стан. Однак випарний апарат з мінімальною кількістю випарного розчину, подібний показаному на рис 6.3, буде повною мірою реагувати на збурення з затримкою лише 2-3 хв. Отже, останні апарати більш чутливі до порушень режиму роботи та більш важкі в регулюванні.

Якщо б склад вихідного розчину міг змінюватися ступінчасто, то динамічна характеристика якості кінцевого продукту була б по суті, такою ж, як і при зміні витрати підданого випарюванню розчину. Однак вихідний розчин зазвичай надходить у велику ємність, де до деякої міри піддається перемішуванню. Тому навіть ступеневе порушення складу надходящої в бак вихідної сировини до досягнення випарного апарата буде значно ослаблено. Крім того, зміни концентрації вихідного розчину не можуть відбуватися в таких широких межах, як зміни його витрати.

Зміна витрати гріючої пари повинне відбитися послідовно на всіх поверхнях теплообміну, перш ніж воно з дійсне повний вплив на якість кінцевого продукту. Прямоточний випарний апарат малої продуктивності буде швидше реагувати на зміну витрати вихідного розчину. У протитічному випарному апараті гріючий пар вводиться в точці вивантаження кінцевого продукту, що збільшує його динамічний вплив на якість.

Зміни витрати гріючої пари можуть бути викликані оператором або коливаннями тиску пари, що підводиться. У ч. З описаний метод компенсації коливань витрати пари при коливаннях тиску, що підведений. Тим не менше цей метод буде ефективним лише у випадку малих збурень, тоді як можна очікувати і серйозних порушень режиму роботи, при яких наявного тиску недостатньо для забезпечення необхідної кількості гріючої пари. У цих умовах необхідно відповідно скоротити кількість вихідного розчину,що підведений, щоб не порушити якість кінцевого продукту.


6.2.2. Одноконтурне регулювання

Найбільш поширена схема регулювання випарних апаратів складається з ряду одиночних контурів регулювання (рис. 6.8).

Продуктивність фактично визначається витратою гріючої пари - з її збільшенням буде знижуватися рівень розчину в усіх корпусах, що змусить регулятори рівня подавати більшу кількість вихідного розчину.

Рис. 6.8. Система одноконтурного регулювання випарних апаратів FC - регулятор витрати; PDT - прилад для вимірювання перепаду тиску; LC -регулятор рівня; QC - регулятор якості кінцевого продукту; QT - прилад для вимірювання концентрації продукту.

Якість кінцевого продукту як прямо, так і побічно залежить від його виходу. Якщо вихід кінцевого продукту знизиться, то при постійній витраті гріючої пари концентрація твердої речовини в останньому корпусі почне негайно зростати. Однак підвищення рівня випаровуваного розчину в останньому корпусі буде, крім того, призводити до зниження виходу випарного розчину з передостаннього корпусу. Такий вплив унаслідок спрацьовування регуляторів рівня буде послідовно передаватися і на інші корпуси. При зниженні витрат продуктів з цих розташованих вище корпусів у них починає змінюватися концентрація розчиненої твердої речовини. Зрештою розчин з підвищеною концентрацією із розташованих вище по потоку корпусів досягає останнього корпусу, посилюючи його початкову реакцію.

Вторинні реакції наступають зі значним запізненням у часі. У трьохкорпусному випарному апараті, описаному в прикладі 6.1 і зображеному на рис. 6.4, вихід кінцевого продукту в стаціонарних робочих умовах становить 0,9 кг на 1 кг гріючої пари. Якщо вихід кінцевого продукту впаде до 0,89 кг, то його


концентрація зросте з 80% до 80,4% без урахування змін концентрації розчину у другому корпусі. Коли зниження виходу кінцевого розчину в третьому корпусі передається у другий корпус, він реагує на це збільшенням концентрації розчину що в ньому знаходится, що в кінцевому рахунку призводить до зростання концентрації кінцевого продукту до 80,59%. Коли ж у відповідь реакція на зниження виходу кінцевого продукту починається в першому корпусі, призводячи до збільшення концентрації випаровуваного в ньому розчину, концентрація кінцевого продукту в результаті цього зростає до 80,67%.

Система регулювання, що складається з поодиноких контурів, особливо чутлива до змін витрати гріючої пари. У такій системі для зміни продуктивності установки потрібно спочатку, щоб зміна витрат гріючої пари викликалоа відхилення якості кінцевого продукту від заданого рівня, а вже тільки потім регулятор якості протягом деякого часу буде виводити апарат на новий стійкий режим роботи. Але за цей проміжок часу може бути виготовлена значна кількість продукту, що не відповідає заданим вимогам. Зниження тиску гріючої пари викликає аналогічні наслідки.

6.2.3. Регулювання за збуренням

Роботу випарних апаратів, призначених для обробки мінімальних кількостей рідкого розчину, неможливо задовільно регулювати за допомогою неузгоджених одиночних контурів. Зміни витрат гріючої пари і вихідного розчину, а також його складу викликають надто великі втрати цінного кінцевого продукту. З метою зведення до мінімуму порушень якості кінцевого продукту випарних апаратів такого типу створена система регулювання за збуренням, яка узгоджує зміни кількості тепла, що підводиться, витрат вихідного розчину і його складу. Ця система базується на звичайних балансах маси і енергії.

Для даного випарного апарату залежність між кількістю тепла, що підведене і сумарною кількістю відведеної вторинної пари, по суті, постійна

де коефіцієнт пропорційності к вираховуєтся за рівнянням (6.6) або задається технічними вимогами.

Тепер за допомогою рівняння (6.3) можна знайти наближене співвідношення витрат тeпла і вихідного розчину для будь-якого заданого набору концентрацій вихідного розчину і кінцевого продукту

Однак Fo являє собою масову витрату, яка зазвичай не вимірюється або


об'ємну витрату, або перепад тиску на вимірювальній діафрагмі, величини яких чутливі до зміни густини розчину. Дляоб'ємного витратоміра

де - вимірювана об'ємна витрата, a D густина вихідного розчину. Для

діафрагмового витратоміра

де h - вимірюваний перепад тиску, а к0 - коефіцієнт витратоміра.

Вміст твердої речовини у вихідному розчині зазвичай визначається у вигляді функції його густини. Виміряну густину розчину можна потім використовувати для двох цілей одночасно. Для об'ємного витратоміра

і для діафрагмового витратоміра

Члени в квадратних дужках в рівняннях (6.16) і (6.17) можна оцінювати в залежності від густини

Щоб обчислити ці функції, необхідно знати залежність між концентрацією вихідного розчину і його густиною. Тоді можна побудувати графік відповідної функції густини від густини. На рис. 6.9 представлений такий графік залежності від D для звичайної кукурудзяної патоки.

Виявляється,   що   ці   функції   є   лінійними   навіть   для   діафрагмового

витратоміра, оскільки графік функції не змінює істотно нахилу в області

значень D = 1,0 - 1,2. Отже, обидві функції можуть бути представлені лінійною моделлю виду

де нахил лінії, що змінюється залежно від концентрації кінцевого продукту, регулюється коефіцієнтом т. Для водних систем точка перетину прямих завжди буде мати координати (1,1) внаслідок того, що при наближенні густини вихідного розчину до густини води весь вихідний розчин повинен бути випареним.


Рис. 6.9. Залежність функції густини типової кукурудзяної патоки від густини

Якщо повинна регулюватися кількість тепла, що підводиться, то установка регулятора задається системою регулювання за збуренням у відповідь на зміну витрати і складу вихідного розчину наступним чином:

Аналогічний вигляд має рівняння і для діафрагмового витратоміра. В деяких установках витрата вихідного розчину встановлюється в залежності від зміни витрати гріючої пари і густини вихідногорозчину:

Обидві ці системи регулювання представлені на рис. 6.10. Слід зауважити, що вхідні дані, котрі потрапляють з приладу контролю густини початкового розчину, є величина D - 1, оскільки нульовою точкою його шкали є густина води.

Зображена на рис 6.10 система містить в собі також динамічні компенсатори на лініях підводу тепла і подачі вихідного розчину. Вони призначені для узгодження реакції складу кінцевого продукту на зміну витрати вихідного розчину і реакції складу на зміну кількості тепла, що підводиться. Випарний апарат малої продуктивності с прямоточним рухом гріючої пари і випарюваного розчину скоріше реагує на зміну витрати вихідного розчину, ніж на зміну витрати


гріючої пари. Тоді якщо витрата гріючої пари встановлюється у відповідь на зміну витрати вихідного розчину, то необхідний домінуючий вплив блоку випередження. Однак установка витрати вихідного розчину у відповідь на зміну витрати гріючої пари потребує домінуючого впливу блоку запізнення. Зазвичай кожна система регулювання забезпечується блоком випередження або запізнення, необхідна величина параметрів яких встановлюється в залежності від характеру протікання процесу. Протитечійні випарні апарати можуть швидше реагувати на зміну витрати гріючої пари, вимагаючи іншої комбінації заданих значень випередження та запізнення.

Рис 6.10. Система регулювання витрати розчину на виході та підводу тепла QE    - давач концентрації кінцевого продукту; DQY - прилади для математичних розрахунків (помножувач та суматор); FT - вимірювальний перетворювач витрати вихідного розчину; QT - вимірювач підведеної теплоти; FY- прилади для математичних розрахунків (помножувачі)

6.2.4. Зворотній зв'язок з показником якості кінцевого продукту

Розрахунки, що виконуються системою регулювання по збуренню і засновані на змінах витрати і густини вихідного розчину, а також кількості підведеного тепла, навряд чи мають точність вищу за Оскільки   похибка

такого порядку може викликати відхилення якості кінцевого продукту до тому однієї системи регулювання по збуренню недостатньо, необхідна також


система зі зворотнім зв'язком. Це не свідчить, що система без зворотного зв'язку не ефективна. Без нього регулятор якості кінцевого продукту повинен виконувати всі коректуючі дії по відновленню рівноваги режиму роботи випарного апарату в випадку його порушення. Але при наявності системи регулювання по збуренню зворотній зв'язок необхідний лише в тій мірі, щоб скоректувати похибку системи без зворотного зв'язку. Якщо розрахунки в ній мають точністьто вихідний

сигнал регулятора в зворотному зв'язку повинен відповідати не повній величині збурення, а лишевід збурення. І якщо система регулювання по збуренню

зменшує зміну вихідної величини регулятора в колі зворотного зв'язку в 50 раз, то його вхідна величина, тобто відхилення якості кінцевого продукту, буде зменшуватись в ті ж 50 раз.

Зворотній зв'язок зазвичай здійснюється по тій змінній розімкнутої системи, від якої в найбільшій степені залежить якість кінцевого продуту. В даному випадку це змінна т - тангенс кута нахилу прямої, що характеризує функцію густини. Будь яке стійке відхилення якості кінцевого продукту від норми буде змушувати регулятор по новому встановлювати величину т, коректуючи співвідношення підведеної кількості тепла та вихідного розчину. Крім того, зміна заданого значення якості продукту, котрі можуть виявитись необхідними при випуску кінцевого продукту різної сортності, буде приводити регулятор до автоматичного переградуювання системи регулювання по збуренню.

Якщо випускається кінцевий продукт тільки одного сорту і, відповідно, тангенс кута нахилу функції густини є постійною величиною, то зворотній зв'язок краще здійснити по величині к. Це дозволить переградуювати систему у відповідності зі зміною втрат тепла і похибками показників витратоміру.

Щоб уникнути можливості виникнення в системі автоколивань, регулятор зворотного зв'язку не повинен мати жорсткої настройки. Оскільки система без зворотного зв'язку може швидко компенсувати збурення, значення регулятора в колі зворотного зв'язку є в здійсненні корекції на великому інтервалі часу.

Для визначення якості кінцевого продукту використовується найрізноманітніша вимірювальна техніка. Густина зазвичай визначається за допомогою радіоізотопного давача або пристрою з вібруючим язичком, а денсиметр використовують для вибіркової перевірки показників цих приладів. В деяких випадках може виникнути потреба в температурній корекції.

Оскільки підвищення температури кипіння. може напряму впливати на концентрацію, то цей параметр вже протягом багатьох років зі змінним успіхом використовується для контролю якості кінцевого продукту. При цьому виникають проблеми, пов'язані з точністю вимірювань. Для виключення помилок, викликані гідростатичним та швидкісним напором, термочутливий елемент, що вимірює


температуру кипіння розчину, слід розташовувати на його поверхні. Він може знаходитись також в просторі, зайнятим вторинною парою, так як ця пара перегріє до температури кипіння рідину.

Точку роси вторинної пари слід вимірювати шляхом його охолодження до конденсації. Ці вимірювання виконують, розташовуючи термочутливий елемент в заглибленні, котре знаходиться в зоні утворення краплин води. Для досягнення відтворюваних результатів може знадобитись деяка юстировка місцезнаходження елемента. Градуювання приладу залежить також від абсолютного тиску, який згідно рівняння (6.7), впливає на величини Т иЯкщо тиск не регулюється, то можна застосовувати компенсацію. Швидка зміна тиску у випадку коливного ре-жиму регулятора тиску або клапана підводу гріючої пари можуть викликати різні динамічні реакції у відповідь двох термочутливих елементів. Тоді частота коли-вань може виявитись вищою, ніж частота коливань складу. При надмірній жорсткій настройці регулятора в колі зворотного зв'язку він може підсилювати ці коливання.

6.2.5 Налагоджувальні системи

При створенні перших випарних апаратів малої продуктивності зустрічались великі складності регулювання якості кінцевого продукту. Звичайні неузгоджені одиночні контури були неспроможні здійснювати задовільне регулювання внаслідок переважаючого впливу інерційності процесу.

Відсутність рециркуляції позбавляло ці випарні апарати стабілізуючої властивості, що була присутня в більш старших моделях.

Намагаючись відновити цю властивість установок, фірми-виробники додали до них налагоджувальні системи, збільшивши тим самим капітальні та експлуатаційні затрати. В систему був доданий рециркуляційний насос, додаткове тепло до якого подається гріючим паром (рис 6.11). Якість кінцевого продукту швидко змінюється при підводі гріючої пари до налагоджувального підігрівача, ніж під дією гріючої пари, що потрапляє в перший корпус. Однак з економічних причин діапазон регулювання налагоджувальним підігрівачем повинен бути жорстко обмежений. Справа в тому, що паливо, яке в нього потрапляє, використовується лише одноразово, тоді як в першому корпусі підведене тепло використовується двічі. Кожного разу, коли зміни витрати або густини вихідного розчину перевищать декілька відсотків, довжина ходу налагоджувального клапану гріючої пари може досягнути свого максимального значення і регулювання припиниться. В результаті виявиться, що налагоджувальний нагрівач є не тільки дорогим, але і до того ж незадовільним рішенням проблеми регулювання.

При використанні в цих випарних апаратах системи регулювання по збуренню роль налагоджувальних нагрівачів послаблюється. Фактично регулю-


вання без зворотного зв'язку зазвичай задовольняється і без налагоджувального нагрівана, припускаючи його відключення і економію гріючої пари. Однак дякуючи налагоджувальному регулюванню якість деяких кінцевих продуктів може суттєво поліпшитись. В цих випадках для більш ефективної роботи налагоджувальний клапан повинен діяти згідно з іншими органами управління. Система, що виконує функцію налагодження, представлена на рис 6.12.

Рис. 6.11. Схема випарного апарата з нагрівачем для полегшення

регулювання якості кінцевого продукту FE - давач витрати; FC -регулятор витрати; LC - регулятор рівня

Рис. 6.12. Схема положення підстроювального клапана, яка відповідає положенню основного клапана в усталеному режимі FC - регулятор витрати


Функція регулювання зі зворотнім зв'язком розділена на дві складові: пропорційно-інтегральний регулятор, котрий використовується для настройки розімкнутої системи, і налагоджувальний клапан, котрий здійснює пропорційно-диференційний вплив. Важливо відмітити, що підстроювальний клапан напряму з'єднаний з входом системи регулювання за збуренням, а також реагує на зміни тиску гріючої пари. Обидві цілі можна досягнути шляхом подачі на підстроювальний регулятор змішування від сигналу, котрий приводить в дію головний клапан (рис. 6.12). Будь-який сигнал на зміну положення основного клапану буде в тій ж мірі впливати і на клапан налагодження.

Однак підстроювальний клапан регулюється так, щоб коректувати відхилення концентрації кінцевого продукту.

На рис. 6.11 показано налагоджувальна дія, прикладена до нагрівача, але вона може також бути прикладена і до вихідного розчину, невелика кількість вихідного розчину може вводитись в останній корпус з метою оперативного регулювання концентрації кінцевого продукту. Цей спосіб настільки ж неефективний, як і використання налагоджувального нагрівача, в тому плані, що наявність регулюючого потоку вихідного розчину характерно лише для однокорпусного випарювання. При використанні регулювання по збуренню в більшості випарних апаратах такий регулюючий потік вихідного розчину не потрібний. Але в тих з них, де можна отримати виграш, регулювання за допомогою налагоджувального клапану вводиться в іншу частину систему так, як це показано на рис 6.12. Сигналом зміщення в такому випадку є положення основного клапану вихідного розчину, а не клапана гріючої пари. Структура налагоджувальної системи не залежить від того, чи регулюється витрати гріючої пари або вихідного розчину розімкнутої системи.

6.3. Регулювання параметрів пари

Властивість випарних апаратів працювати на гріючій парі низького тиску робить їх дуже економічними. На багатьох заводах зазвичай присутні надлишок пари низького тиску, дякуючи чому забезпечується його підвід до багатьох технологічних процесів. Незважаючи на те що така ситуація сприятлива з виробничої точки зору, вона дає змогу припустити, що пара низького тиску більшу частину часу витрачається дарма. По мірі того як заводські інженери займаються пошуком способів скорочення цих втрат і намагаються використовувати пару низького тиску, проблема його регулювання стає головною проблемою управління роботи випарних апаратів.

Класифікація регуляторів може здійснюватися за різними ознаками. За способом дії розрізняють регулятори прямої і непрямої дії. До регуляторів прямої дії


відносять такі регулятори, у яких зусилля, необхідне для переміщення регулюючого органу, виникає за рахунок зміни вихідного параметра без підведення додаткової енергії. Зрозуміло, що в цьому випадку датчик (чутливий елемент) є одночасно і виконавчим механізмом. На практиці ширшого застосування набули регулятори непрямої дії. Ці регулятори класифікуються за видом джерела енергії, що використовується для переміщення виконавчого механізму: електричні, гідравлічні, пневматичні і комбіновані. Крім того, регулятори класифікуються на релейні, безперервні та імпульсні. Релейні регулятори називають ще позиційними. Регулятори поділяють також на екстремальні і стабілізаційні. Екстремальні регулятори можна використовувати на об'єктах, що характеризуються екстремальною статичною характеристикою, положення якої в координатному просторі в залежності від зовнішніх впливів дрейфує у часі.

6.3.1. Системи періодичного регулювання

Будь-яка система, що працює на водяній парі, має дуже обмежену можливість акумулювати енергію. Якщо витрати водяної пари, що потрапляє в колектор і виходить з нього, повністю не залежать від тиску в ньому, то тиск в парозбірнику не саморегулюється, і можна очікувати, що він змінюється у відповідності з кожною зміною навантаження. Загальноприйнятою практикою регулювання тиску в парозбірнику є підвід пари більш високого тиску. Однак це не тільки мало ефективно через велику вартість пари підвищеного тиску, але також і внаслідок того, що даний спосіб не дозволяє коректувати умову надлишку пари. Припустимо, що в середньому підвід гріючої пари низького тиску дорівнює необхідному. Різких знижень тиску можна запобігти шляхом подачі пари більш високого тиску. Однак ця дія викличе виникнення певного надлишку пари низького тиску, що потребує його скиду чи конденсації.

Найкраще рішення цієї проблеми - допустити коливання тиску в колекторі в певних межах, завдяки чому знижується подача пари підвищеного тиску і скидання пари низького тиску. Однак, ці коливання можуть серйозно порушити роботу користувачів пари, а в тому числі і випарних апаратів. В цьому випадку можна передбачити захист шляхом регулювання витрати граючої пари. Зміна тиску, що впливає на витрату пари буде негайно враховуватись регулятором витрати. Але градуювання витратоміра також залежить від тиску, то необхідно вводити відповідну компенсацію (рис. 3.9, 3.10).

В багатьох випадках навіть регулювання витрати з компенсацією по тиску виявляється недостатнім. Якщо зменшиться кількість пари, що подається користувачам, і має таке регулювання, то всі клапани виявляться відкритими, й вони будуть конкурувати в отриманні решти пари. Нажаль, це буде той самий


момент, коли ні один користувач не зможе бути задоволений. Тим з них, котрі мають не скомпенсоване регулювання витрати, доведеться витримати основне навантаження порушення режиму роботи, але навіть деякі клапани, що мають таке регулювання, будуть приведені в повністю відкритий стан. В результаті чого в випарному апараті буде припинений контроль якості кінцевого продукту, що призведе або до повної втрати високоякісного продукту, або до переводу його в продукт більш низького сорту.

Існує більш прийнятне рішення цієї проблеми. Випарний апарат, який немає в середньому обмежень по продуктивності, може демпфірувати коливання параметрів граючої пари що підводиться, в своєму баці первинного розчину. На рис. 6.13 зображений випарний апарат, в якому рівень розчину, що знаходиться в живильному баці, регулюється завданням витрати граючої пари. Сигнал дійсної кількості тепла що підводиться до випарного апарату, що визначається за результатами вимірювання витратоміром з компенсацією по тиску, конвертується системою регулювання по збуренню в сигнал витрати первинного розчину, що відповідає заданій якості кінцевого продукту. Ця частина системи регулювання показана в нижній половині рис 6.10.

Коли кількість пари що надходить понизиться до рівня, при якому регулювання витрати робиться неможливим, то система автоматично зменшить витрату первинного розчину. Зниження витрати первинного розчину викличе підйом його рівня в живильному баці. Після того як пари знову стане достатньо, підвищений рівень розчину вимагатиме більш високого, в порівнянні з попереднім завданням витрати пари, а також збільшиться витрата первинного розчину. Для виходу на потрібний рівень продуктивності, усереднений на інтервалі, що рівний сталій часу живильного баку, потрібно буде лише підвести достатню кількість гріючого пару.

Аби максимально збільшити здатність живильного баку демпфірувати коливання параметрів, гріючого пару що підводиться, регулятор рівня повинен бути налаштований на малу величину, наприклад 20%. В стаціонарному режимі рівень розчину в баку буде знаходитись на відмітці 20%, а решта 80% ємкості будуть вільні для прийому тої кількості розчину, що перевищує експлуатаційні можливості випарного апарату. Якщо притік первинного розчину швидко зростає, або якщо пари що є в наявності не вистачає, то регулятор рівня з ПІ дією буде змінювати завдання витрати пари в бік її збільшення до максимального значення. Це максимальне значення повинно відповідати продуктивності випарного апарату при підтримці потрібного рівня якості кінцевого продукту. Після відновлення подачі пари регулятор рівня може потребувати максимальної витрати пари до тих пір доки рівень не повернеться до відмітки 20%. Це буде значити повернення


системи до її первинної продуктивності і її готовність до подолання наступних порушень режиму роботи.

Рис. 6.13. Схема регулювання рівня первинного розчину

LT-рівнемір, LC - регулятор рівня, РТ-давач тиску, РDC - регулятор перепаду тиску, FT- перетворювач витрати, FC-регулятор витрати

Зона пропорційності регулятора рівня повинна дорівнювати значенню величини що регулюється, наприклад 20%. Тоді різке зниження рівня може бути враховано еквівалентним зниженням кількості тепла що підводиться і первинного розчину. В цьому випадку подача тепла припиниться ще до того, як бак повністю спорожніє.

Деякі нові моделі випарних апаратів будуть обладнанні компресорами вторинного пару, що приводиться в дію гріючою парою, тобто будуть мати паротурбінний привід. Тоді парові турбіни, що приводять в дію компресори, будуть як правило скидати відпрацьований пар в колектори граючої пари низького тиску, які мають звичайні випарні апарати. Оптимальний баланс між виконаною роботою і затраченим теплом буде досягатися в тих випадках, коли шляхом регулювання витрати пари що поступає в турбіни тиск в колекторі буде підтримуватися на практично максимальному рівні. В гл.З описані колектори, в яких тиск регулювався підводом пари до турбогенераторів з використанням електропостачання для демпфірування коливань попиту на гріючий пар низького тиску. При наявності випарних апаратів з компресорами вторинного пару для


демпфірування коливань попиту на пар низького тиску, може бути використана ємність живильного баку, як це було описано вище. Проте, як показано на рис. 3.8, для досягнення максимальної ефективності системи, тиск в колекторі низького тиску потрібно підтримувати на мінімальному рівні шляхом вибору положення регулюючих органів найбільш відкритих клапанів споживачів.

6.3.2. Підвід і відбір пари

Описані до цих пір випарні апарати були незалежні від решти агрегатів, за виключенням джерела граючої пари для першої ступені. В багатьох більш сучасних установках вторинний пар із корпусів з більш низьким тиском відбирається для інших цілей, наприклад опалення. Крім того, відпрацьована пара турбін низького тиску, або сконденсована пара високого тиску використовується для нагрівання в наступних корпусах випарної установки.

Рис. 6.14. Схема регулювання витрати гріючої пари з корекцією по

витраті вторинної пари РТ- давач тиску, FC-регулятор витрати, РDC - регулятор перепаду тиску.

Така практика робить установки більш економічними і дозволяє краще збалансувати подачу пари низького тиску, але в той час вона ускладнює програму регулювання роботи випарних апаратів. Підвід чи відбір вторинної пари змінює енергетичний баланс системи і потребує обліку. На рис 6.14 показані витратоміри


що встановлені на цих лініях для корекції сигналу на подачу тепла до першого корпуса пропорційно витраті вторинної пари що відбирається або підводиться.

Розглянемо роботу 4 корпусного випарного апарату, в якому деяка кількість вторинної пари з першого корпуса відбирається для інших цілей. Згідно табл. 6.1 сумарна кількість вторинної пари, що відводиться з випарного апарату, повинна бути в 3.52 більше кількості гріючої пари, що підводиться в перший корпус, і менше ніж 2.71 рази більше кількості вторинної пари, яка відбирається з першого корпусу. Тоді, відібрана витрата повинна бути помножена на коефіцієнт 2.71/3.52=0.77 до віднімання її від сигналу свіжої гріючої пари. Аналогічно сумарна кількість гріючої пари і вторинної пари із другого корпуса повинна бути помножена коефіцієнт 1.85/3.52=0.53 до його сумування з сигналом витрати свіжої гріючої пари. Поправка на абсолютний тиск, напевно, не потрібна, оскільки ці витрати звичайно набагато нижчі витрат свіжої пари і виявляють менший вплив на сумарне пароутворення.

Облік стає більш складним, якщо корпус підключений до колектора з низьким тиском, який дозволяє і відбір і підвід пари по одній і тій самій лінії. При цьому стає потрібне встановлення витратоміра з середньою точкою. При встановленні діафрагмового витратоміра з середньої точкою можна очікувати прийнятної точності, але лінеаризація його вихідного сигналу не може бути втілена простим застосуванням блоку добування кореня.

Рис. 6.15. Схема лінеаризації сигналу діафрагмового витратоміра з середньою точкою за допомогою спеціального перетворювача


При нульовій витраті вихідний сигнал давана перепаду тиску буде знаходитись в середині шкали. В цьому випадку блок добування квадратного кореня повинен бути обладнаним характеристикою, що показана на рис. 6.15. При нульовій витраті вихідний сигнал такого перетворювача також буде знаходитись в середній точці шкали, і буде потребувати компенсуючого зміщення цієї точки в суматорі.

6.3.3. Регулювання параметрів конденсатора

В більшості випарних апаратів абсолютний тиск регулюється тільки в останньому корпусі, звідки вторинний пар відводиться в конденсатор. Якщо вторинний пар не містить забруднень і відповідно може бути використаний в якості живильної води котла то можна застосовувати поверхневий конденсатор. Якщо це неможливо, то зазвичай використовують барометричний змішуючий конденсатор. В цьому конденсаторі температура конденсату наближається до температури охолоджуючої води завдяки відсутності поверхні теплообміну, однак конденсат і охолоджуюча вода в такому конденсаторі змішуються.

Незалежно від типу конденсатора що використовується необхідний також вакуумний насос для очистки ємностей від повітря при запуску та для видалення повітря що проникає в ємність в ході нормальної роботи установки. Для такої цілі зазвичай використовується пароструйні ежектори, але застосовують також і механічні вакуумні насоси. В більшості випадків рушійна сила, яка потрібна для підтримання вакууму, регулюється незалежно від того, чи визначається вона за частотою обертів двигуна механічного насосу, чи за витратою пари в ежекторі.

Абсолютний тиск залежить як від масової швидкості відкачки, так і від масової швидкості охолодження, оскільки і повітря і водяна пара видаляються вакуумним насосом. Витрати водяної пари залежить від її парціального тиску при температурі конденсатора.

Розглянемо нагнітальний поршневий вакуумний насос з об'ємною продуктивністю Fv. Мольна витрата повітря Мa і водяної пари Mw , що відводяться насосом, залежить від абсолютної температури Т і тиску р

де R - універсальна газова стала. Мольна доля водяної пари на вході в вакуум-насос представляє собою її парціальний тиск, поділений на повний тиск. Парціальний тиск буде лімітуватись пружністю пари води в конденсаторі р°. Тоді


Об'єднавши рівняння (6.23) і (6.24), отримаємо абсолютний тиск в конденсаторі у вигляді функції продуктивності відкачки, просочування повітря і температури конденсатора(яка також визначається тиском пари):

Абсолютний тиск можна контролювати шляхом регулювання масової швидкості просочування повітря в вакуумний насос, або зміни температури конденсатора за допомогою охолоджуючої води. Якщо вакуумний насос підсмоктує повітря, то для підтримання заданого тиску потрібна більша кількість охолоджуючої води. В такому випадку найнижча витрата охолоджуючої води буде досягнута при мінімальному повітряному потоці. Тоді для зниження витрати охолоджуючої води її потік повинен регулюватись шляхом регулювання тиску без підсмоктування повітря.

Перейдемо тепер до розгляду оптимальної величини регульованого тиску. При зниженні тиску температура кипіння кінцевого продукту падає. В такому випадку кінцевий продукт що виходить з установки містить менше фізичної теплоти пропорційно зниженню температури кипіння. З іншого боку, при зниженні абсолютного тиску потрібні менші затрати тепла для нагрівання первинного розчину до точки кипіння. Вартість енергії, що являє собою різницю фізичних теплот первинного розчину і кінцевого продукту, рівна

де- вартість одиниці теплоти; Co і То — теплоємність і температура первинного розчину.

Однак зниження температури кипіння потребує збільшення витрати охолоджуючої води. Тепловий баланс конденсатора має вигляд:

де Fc, С i ТС- масова витрата/теплоємність і температура на вході охолоджуючої води.

Для простоти припустимо, що тепловий потік прямо пропорційний витраті первинного розчину:

а ціна охолоджуючої води прямо пропорційна її витраті:

Об'єднавши дві величини затрат, отримаємо:


диференціювання сумарних затрат по Тn дає

Прирівнявши похідну до нуля, можна знайти оптимальну величину Тп:

де для спрощення результатів Co і С прийняті рівними одиниці.

Важливий висновок, який можна зробити на основі рівняння (6.32), полягає в тому, що існує оптимальна величина приросту температури охолоджуючої води. Як показано на рис. 6.16, зростання температури конденсатора слід регулювати витратою охолоджуючої води, а не підтримуванням абсолютного тиску на постійному рівні. Оптимальне завданнярегулятора може бути розраховане по балансу енергії випарного апарату або налаштована по мінімуму що спостерігається.

В більшості випадків виявляється, що оптимальний тиск вище тиску, що підтримується в типовому випарному апараті. Підвищення тиску економить витрату охолоджуючої води й знижує захоплення твердих частинок внаслідок зниження швидкостей у всіх корпусах. Не дивлячись на те що зростання температури кінцевого продукту збільшує теплові втрати, це полегшує відкачку в'язких продуктів.

Рис. 6.16. Схема регулювання приросту температури охолоджуючої води


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71456. Определение координат точек местности по стереопаре снимков методом двойной обратной фотограмметрической засечки 27 KB
  Для определения координат точек местности по стереопаре снимков методом прямой фотограмметрической засечки необходимо чтобы были известны элементы внешнего ориентирования снимков. В этом случае определение координат точек местности по стереопаре снимков выполняют...
71458. Формулы связи координат точек местности и их изображений на стереопаре снимков 160.5 KB
  Выведем формулы связи координат точек местности и координат их изображений на стереопаре снимков.2 следует что векторы определяют соответственно положение точки местности М и центра проекции S1 снимка Р1 относительно начала системы координат объекта OXYZ.
71460. Автоматизированные методы измерения точек на стереопаре цифровых снимков 84.5 KB
  Площадные методы отождествления одноименных точек Смысл этих методов сводится к сравнению плотностей пикселей двух изображений вокруг определяемой точки. Существует два основных подхода: Корреляционные методы Смысл этих методов заключается в следующем: фрагмент одного...
71461. Методы наблюдения и измерения стереопар снимков. Основы монокулярного и бинокулярного зрения 174 KB
  Монокулярное зрение зрение одним глазом. Качественно оно оценивается разрешающей способностью глаза или остротой зрения. Различают остроту зрения первого и второго рода. Остротой монокулярного зрения первого рода называют минимальный угол под которым наблюдатель различает две отдельные точки раздельно.
71462. Создание цифровых фотопланов 2.21 MB
  Для создания фотоплана используются цифровые трансформированные снимки с одинаковым размером пикселов и имеющие координаты начал систем координат цифровых изображений O1 и O2 кратные размеру пиксела. Координаты начала системы координат цифрового фотоплана XOM принимаются равными...
71464. Создание цифрового ортофототрансформированного снимка 99.5 KB
  Принципиальная схема цифрового ортофототрансформированния снимков представлена на рис.8 Исходными материалами при цифровом ортофототрансформировании снимков служат: цифровое изображение исходного фотоснимка; цифровая модель рельефа в большинстве случаев используется...