Výmenník tepla a jeho identifikácia

V rámci môjho semestrálneho projektu v zimnom semestri som sa zaoberala procesom výmenníka tepla a jeho identifikáciou. Prečo je vlastne dobrá táto identifikácia? Odpoveď je jednoduchá – riadenie procesu. Na to, aby som niečo mohla riadiť, musím to poznať, teda identifikovať. A prečo to chcem riadiť?

Prestup tepla je jeden z najdôležitejších procesov v prírode, ktorý sa dá zužitkovať na mnohé účely. So zariadeniami určenými na využívanie prestupu tepla, výmenníkmi tepla, sa stretávame každý deň. Nachádzajú sa v domácnostiach, ako súčasť elektrospotrebičov, ale sú aj významná zložka priemyslu. V chemickom priemysle sa výmenníky tepla používajú napríklad v odparkách, sušiarňach alebo ako súčasti procesov, ktoré sú oveľa zložitejšie, ako je chemický reaktor. Pri všetkých týchto procesoch je potrebné brať ohľad na redukciu negatívneho dopadu na životné prostredie a tiež ekonomických nákladov, a preto je nutné riešiť, ako zabezpečiť efektívny prestup tepla tam, kde je to potrebné, ale tiež zamedziť prestupu tepla pri procesoch, kde je to nežiaduce. A práve (nielen) na to slúži riadenie procesov.

Ako vyzerá výmenník tepla, s ktorým som pracovala?

Ide o laboratórny výmenník tepla typu kvapalina – kvapalina. Teplota vo vnútri výmenníka sa teda riadi pomocou prietokov teplého a studeného média. Tieto prietoky je možné riadiť peristaltickými čerpadlami, z ktorých jedno privádza do výmenníka horúcu vodu z kotla a druhé privádza studenú vodu zo zásobníka. Nastavenie vstupov spočíva v nastavovaní napätia na čerpadlách v rozsahu od 0 do 100%, pričom 100% zodpovedá hodnote 5 V.

Ako vyzerá uzavretý regulačný obvod pre tento systém?

Riadená veličina (Y) je teplota vo výmenníku tepla (GP). Akčné zásahy (U) vykonávajú čerpadlá (GA), to znamená, že v mojom prípade riadiaca veličina je objemový prietok. O stave riadenej veličiny, čiže teploty, nám podáva informáciu merací člen (GM), teda teplomer, pričom rozdiel medzi teplotou na výstupe a žiadanou hodnotou teploty vstupuje ako regulačná odchýlka (E) do regulátora (GR), ktorý vypočíta, aký akčný zásah čerpadla je potrebný.

Moja identifikácia systému výmenníka tepla bola experimentálna. V praxi to znamenalo, že som uviedla výmenník do ustáleného stavu (nemenný prietok studeného a horúceho média znamená stálu teplotu vo výmenníku) a urobila som skokovú zmenu na vstupe v podobe zmeny prietoku horúceho média. Od tohto momentu začalo zaznamenávanie odozvy systému výmenníka tepla na túto zmenu na vstupe až pokiaľ sa opäť nedostal do ustáleného stavu (na novú hodnotu teploty), pričom normalizáciou údajov som dostala nasledovné prechodové charakteristiky.

Pomocou Strejcovej metódy identifikácie systémov som pre každú prechodovú charakteristiku našla potrebné konštanty pre prenos, teda časovú konštantu, zosilnenie a dopravné oneskorenie. Ako ďalej postupovať, keď máme jeden výmenník a šesť rôznych prenosov? Vytvorila som jeden výsledný prenos, ktorý je tvorený intervalmi časovej konštanty, dopravného oneskorenia a zosilnenia, ktorý zahŕňa celkové správanie sa systému. Teraz, keď viem, ako sa systém môže správať pri akýchkoľvek realizovateľných skokových zmenách, budem hľadať vhodný spôsob riadenia, aby som, ako bolo vyššie spomínané, vedela zabezpečiť efektívny prestup tepla tam, kde je to potrebné.