Studiul comportărilor dinamice

1. Scopul lucrării

Studiul comportării dinamice a unui schimbător de căldură.

2. Consideraţii teoretice

Comportarea dinamică a elementelor automatizate din industria chimică depinde de caracteristicile fizico-chimice ale procesului tehnologic, de regimul de funcţionare şi de particularităţile constructive ale instalaţiei. Majoritatea elementelor automatizate din tehnologia chimică au caracteristici statice neliniare. În acest caz, constantele de timp şi coeficienţii de transfer nu sunt constante ci depind de încărcarea instalaţiei. În asemenea condiţii, ecuaţiile diferenţiale liniare, folosite pentru exprimarea proprietăţilor dinamice, pot fi considerate cu coeficienţi constanţi doar în cadrul unor variaţii mici ale mărimilor de intrare şi de ieşire.

Datorită numărului mare de parametrii care influenţează procesele fizico-chimice din instalaţii şi a complexităţii constructive ale acestora, deducerea ecuaţiei diferenţiale pe cale analitică, pornind de la datele funcţionale şi constructive ale instalaţiei este o problemă dificilă. În aceste situaţii este de preferat studiul experimental al comportării dinamice. Pentru aceasta se determină răspunsul elementului automatizat la un semnal de intrare standard, iar din datele experimentale obţinute se deduce un sistem ipotetic format dintr-o anumită combinaţie de elemente de reglare simple, care are o comportare dinamică cât mai apropiată de cea a instalaţiei investigate.

Principiul studiului experimental al comportării la transfer poate fi redat printr-o experienţă mentală, în care se leagă în paralel elementul automatizat propriu-zis cu sistemul de elemente de reglare simple a cărui comportare la transfer urmează să fie atribuită elementului automatizat, ca în figura 1. În aceste cazuri, sistemul ipotetic este format din n elemente proporţionale de ordinul I legate în serie.

Figura 1. Sistemul ipotetic al unui element automatizat

Aproximarea va fi cu atât mai bună cu cât diferenţa dintre mărimile de ieşire (e-e1) este mai mică.

În majoritatea cazurilor se urmăreşte răspunsul la semnal treaptă, deoarece acesta se poate determina repede şi cu mijloace experimentale simple.

Variaţia în salt a variabilei de intrare, urmată de păstrarea noii valori se numeşte semnal treaptă (figura 2a). Variaţia mărimii de ieşire după o variaţie în salt a mărimii de intrare constituie răspunsul la semnal treaptă.

În tehnologia chimică, majoritatea elementelor automatizate se comportă ca elemente proporţionale de ordin superior care au răspunsul la semnal treaptă asemănător cu cel redat în figura 2b.

Figura 2. Răspunsul la semnal treaptă a elementelor proporţionale de ordin superior

In practică, pentru a studia experimental comportarea dinamică folosind răspunsul la semnal treaptă, se parcurg succesiv următoarele etape :

1. Determinarea răspunsului la semnal treaptă a elementului automatizat.

2. Găsirea sistemului de elemente de reglare simple care este adecvat pentru aproximarea comportării la transfer a elementului automatizat.

3. Determinarea parametrilor elementelor de reglare care compun sistemul ipotetic.

4. Verificarea dacă comportarea dinamică a sistemului ipotetic determinat se apropie în măsură suficientă de cea a elementului automatizat în cauză.

In cadrul etapei a doua, o posibilitate constă în aceea de a presupune că sistemul ipotetic considerat este alcătuit dintr-un număr de n elemente proporţionale de ordinul întâi cu constante de timp egale T şi legate în serie.

Ecuaţia diferenţială a acestui sistem este de forma :

Pentru determinarea experimentală a mărimilor n şi T din răspunsul la semnal treaptă al elementului automatizat proporţional de ordin superior, s-au elaborat două metode şi anume metoda tangentei şi metoda rapoartelor indicative. Metoda rapoartelor indicative ambele este expusă în Anexa 1.

3. Descrierea instalaţiei experimentale

Instalaţia experimentală este prezentată în figura 3 şi este compusă din următoarele elemente:

- două schimbătoare de căldură tip "ţeavă în ţeavă" cu funcţionare în contracurent;

- preîncălzitor electric pentru aer (Ri);

- diafragmă (D) pentru măsurarea debitului de aer;

- stabilizator de tensiune, ce permite compensarea fluctuaţiilor de tensiune ale reţelei;

- 4 termocuple de tip J în calitate de elemente sensibile;

- un regulator de temperatura PID electronic (model Omron E5CK);

- un element de execuţie (EE) (valva solenoid, Burkert – tip 6022);

- calculator.

Dispozitivul experimental are ca parte principală un ansamblu de două schimbătoare de căldură tip "ţeavă în ţeavă" cu funcţionare în contracurent, element automatizat a cărui comportare la transfer se studiază. Schimbătorul de căldură urmăreşte răcirea unui curent de aer cald, care trece prin ţeava interioară, cu ajutorul unui curent de apă, trecută printre ţevi. Mărimea reglată (mărime de intrare – variabilă dependentă) în acest caz este temperatura aerului la ieşirea din schimbător, debitul apei de răcire constituind mărimea de execuţie.