Важной частью системы автоматического управления теплоснабжением для крупных объектов является теплообменник, в котором горячий теплоноситель передаёт своё тепло в систему отопления объекта. В настоящее время широкое распространение получили рекуперативные пластинчатые теплообменники. [1] Такие теплообменники обладают рядом преимуществ, среди которых можно выделить несколько важнейших:

• малый занимаемый объём;

• простота исполнения;

• лёгкость модернизации (изменение количества пластин);

При этом КПД таких теплообменников очень велик – до 90-95%. Благодаря всем вышеперечисленным достоинствам, именно такой теплообменник был выбран для САУ теплоснабжением. Для оценки качества выбранного теплообменника необходимо создать математическую модель, синтезировать подходящий регулятор и провести моделирование, по результатам которого можно судить о качестве системы. На основе полученных результатов можно будет выбрать конкретные характеристики (тип, материал и т.д.). Далее рассмотрим названные этапы подробнее.

Первое что требуется сделать – получить математическую модель теплообменника. В наиболее распространенных теплообменниках типа «жидкость-жидкость», в качестве возмущающих воздействий выступают температура жидкости на входе twвх, расход нагреваемой жидкости Gв, температура нагреваемой жидкости на входе tвх (рисунок 1). Управляющими воздействиями могут быть расход нагревающей жидкости Gw, температура нагревающей жидкости twвх, а регулируемый параметр tвых. [2]

Рисунок 1 – Функциональная схема теплообменника типа «жидкость-жидкость»

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в первом приближении передаточная функция теплообменного аппарата описывается типовым апериодическим звеном первого порядка вида :

где Kt — статический коэффициент передачи аппарата;

Tt — постоянная времени теплообменного аппарата.

Ниже приведена одна из нескольких возможных зависимостей, позволяющая приближенно оценить инерционность аппаратов такого вида:

где сm, сw — теплоемкости металла и воды;

Mm, Mw — массы металла и воды;

Gw — расход воды;

k — коэффициент теплопередачи аппарата;

F — поверхность аппарата.

Далее выполним синтез регулятора для САУ температурой в нагревательном теплообменнике. В данной системе можно использовать регулятор в виде управляемой заслонки. Исходя из структурной схемы всего объекта, можно получить следующую структурную схему текущей подсистемы (рисунок 2).

Горячая вода (Thot) поступает на заслонку. Положение заслонки изменяется двигателем (Wp(p)). Входом для двигателя является разность заданной температуры (Тз) и текущей температуры в контуре (Tsys). Теплообменник представлен передаточной функцией Wex(p).

Исходя из вышеперечисленного, разработаем модель САУ и промоделируем происходящие в ней процессы (рисунки 3 и 4).

Для моделирования реальных условий, и для оценивания реакции системы на задаваемые оператором данные, эти данные (температура горячей воды от энергоцентра Hot water T и заданное значение температуры на выходе теплообменника System water T task, которое необходимо поддерживать) представлены повторяющейся последовательность предварительно заданных значений. Это 95, 90, 92⁰С для воды на входе и 80, 85, 75⁰С для воды на выходе системы, т.е. для регулируемого параметра.

Рисунок 2 – структурная схема САУ температурой нагревательного теплообменника

Рисунок 3 - модель САУ температурой нагревательного теплообменника

Рисунок 4 – Переходный процесс в САУ температурой нагревательного теплообменника

Как видно из рисунка 4, значение довольно точно следует за требуемым уровнем, процесс плавный, довольно быстрый, с небольшой колебательностью. САУ справляется с поставенной перед ней задачей хорошо.

Перечень ссылок

1. «Энергобезопасность в документах и фактах №2, 2006» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.endf.ru/08_2.php. – Дата доступа: 8.04.2013

2. Г.В. Нимич, В.А. Михайлов, А.С. Гордиенко, Е.С. Бондарь «Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.c-o-k.com.ua/index2.php?option=com_content&task=view&id=228&pop=1&page=0. – Дата доступа: 8.04.2013.