رمز و راز Overshoot
یک کنترل کننده دمای مخزن ترشی اسید سولفوریک روی 60 درجه تنظیم شده است. در هنگام گرم شدن{2}}، دمای حمام به آرامی تا نقطه تنظیم بالا می رود، سپس قبل از بسته شدن شیر کنترل تا 67 درجه افزایش می یابد. بیش از حد به مدت 8-10 دقیقه ادامه می یابد تا زمانی که تلفات خنک کننده دما را به 60 درجه بازگرداند. سپس کنترلر قبل از ورود مجدد بخار به 56 درجه کاهش می یابد. این چرخه با کاهش دامنه تکرار می شود و پس از 45 دقیقه شکار تثبیت می شود.
این نوسان مشکل تنظیم کنترلر نیست. پارامترهای PID به درستی تنظیم شده اند. شیر کنترل به آرامی حرکت می کند. سنسور دما در عرض 2 ثانیه پاسخ می دهد. علت اصلی، خود مبدل حرارتی است-بهویژه، جرم حرارتی و سطح انتقال حرارت تخریبشده یک سیمپیچ فلزی که مدتها پس از بسته شدن شیر بخار، به انتقال گرما ادامه میدهد.
مکانیسم اینرسی حرارتی
یک کویل غوطه وری فلزی{0}}گرم شده با بخار حاوی جرم قابل توجهی از فولاد یا تیتانیوم در دمای اشباع بخار است. هنگامی که شیر کنترل بسته می شود، جریان بخار متوقف می شود، اما فلز داغ به انتقال گرمای ذخیره شده به حمام ادامه می دهد. این بعد از{3}گرما باعث افزایش دما می شود.
گرمای ذخیره شده در یک کلاف فولادی ضد زنگ 50 کیلوگرمی در دمای 143 درجه تقریباً 2800 کیلوژول-برای افزایش 8000 لیتر اسید ترشی 0.3 درجه کافی است. این به تنهایی بیش از حد 7 درجه را توضیح نمی دهد. عامل بزرگتر، میعانات است که پس از توقف جریان بخار در داخل سیم پیچ باقی می ماند. میعانات محبوس شده در دمای نزدیک به اشباع{12}}به متراکم شدن بر روی دیواره های لوله خنک کننده ادامه می دهد و گرمای نهانی را آزاد می کند که فلز سپس به حمام می رساند.
با افزایش سن سیم پیچ مشکل بدتر می شود. خوردگی سطح داخلی را زبر می کند و باعث افزایش احتباس میعانات در ناهمواری های سطح می شود. پوسته پوسته شدن خارجی ضریب انتقال حرارت را در طول عملیات عادی کاهش می دهد و به فشار بخار بالاتر برای حفظ دما نیاز دارد. فشار بخار بالاتر به معنای فلز داغتر و گرمای ذخیره شده بیشتر است. دامنه بیش از حد در طول عمر سیم پیچ افزایش می یابد و اغلب سال ها قبل از خرابی مکانیکی سیم پیچ به سطوح غیرقابل قبول می رسد.
جدول 1: عوامل بیش از حد دما برای مبدل های حرارتی فلزی در مقابل PTFE (مخزن ترشی 8000 لیتری، نقطه تنظیم 60 درجه)
| پارامتر Overshoot | کویل فولادی ضد زنگ (جدید) | کویل فولادی ضد زنگ (با عمر 3 سال) | مبدل حرارتی PTFE |
|---|---|---|---|
| جرم فلز کویل (کیلوگرم) | 55 | 48 (از دست دادن خوردگی) | 0 (بدون فلز) |
| گرمای ذخیره شده در فلز در 143 درجه (کیلوژول) | 3,080 | 2,690 | 0 |
| گرمای ذخیره شده در PTFE/فلوروپلیمر (کیلوژول) | 0 | 0 | 180 (جرم کم، حرارت مخصوص کم) |
| میعانات باقی مانده پس از بسته شدن شیر (کیلوگرم) | 3-5 | 5-8 (سطح زبر) | 0.2-0.5 (سطح صاف و کم انرژی) |
| گرمای نهان از میعانات باقیمانده (کیلوژول) | 6,300-10,500 | 10,500-16,800 | 420-1,050 |
| دامنه بیش از حد معمول (درجه) | 3-5 | 6-9 | 0.5-1.5 |
| زمان تثبیت پس از بیش از حد (دقیقه) | 25-35 | 40-55 | 5-10 |
مزیت پاسخ حرارتی PTFE
یک مبدل حرارتی PTFE به مشکل کنترل دما با ویژگی های حرارتی اساسا متفاوت نزدیک می شود. فلوئوروپلیمر دارای چگالی کم (2200 کیلوگرم بر متر مکعب در مقابل{3}}000 کیلوگرم بر متر مکعب برای فولاد)، گرمای ویژه کم و بدون جرم فلزی است. کل سیمپیچ-لولهها و سربرگها-برای همان کارکرد مخزن 8000 لیتری تقریباً 12 کیلوگرم وزن دارد. گرمای محسوس ذخیره شده کسر کوچکی از معادل فلزی است.
مهمتر از آن، سطح PTFE میعانات را حفظ نمی کند. انرژی سطحی کم باعث می شود آب به جای خیس شدن و چسبیدن، دانه بندی و تخلیه شود. هنگامی که دریچه بخار بسته می شود، میعانات به سرعت به تله بخار تخلیه می شود. سهم گرمای نهان در بیش از حد 80-90٪ کاهش می یابد.
هدایت حرارتی کمتر PTFE که اغلب به عنوان یک نقطه ضعف ذکر می شود، به یک مزیت در کنترل دما تبدیل می شود. دیواره لوله پس از خاموش شدن بخار سریعتر با حمام به تعادل حرارتی می رسد زیرا گرمای ذخیره شده کمتری باید دفع شود. ثابت زمانی برای پاسخ حرارتی با وجود رسانایی کمتر، کوتاهتر است.
تنظیم کنترل کننده برای ویژگی های PTFE
پارامترهای PID بهینه شده برای یک سیم پیچ فلزی با اینرسی حرارتی زیاد آن برای مبدل حرارتی PTFE با پاسخ سریعتر بهینه نیست. نوار متناسب را می توان باریک کرد. زمان انتگرال را می توان کوتاه کرد. اصطلاح مشتق، اغلب غیر ضروری با سیم پیچ های فلزی کند، می تواند به طور موثر با سیستم PTFE پاسخگوتر به کار رود.
تنظیم مجدد پس از نصب PTFE معمولاً زمان ته نشینی را 50-70٪ کاهش می دهد و شکار نوسانی را که عملکرد سیم پیچ فلزی را مشخص می کند حذف می کند. حمام سریعتر به نقطه تنظیم میرسد، به نقطه تنظیم نزدیکتر میماند و پس از افزودن قطعه کار سریعتر به نقطه تنظیم باز میگردد.
نتایج میدانی از عملیات ترشی فولاد
یک لوله و لوله پردازش خط ترشی فولاد جایگزین کویل های غوطه وری فولاد ضد زنگ با مبدل های حرارتی PTFE در سه مخزن 12000-لیتری اسید سولفوریک شد. قبل از جایگزینی، بیش از حد دما به طور متوسط 8 درجه در هنگام گرم کردن بود که به 50 دقیقه برای تثبیت نیاز داشت. اپراتورها به صورت دستی با خاموش کردن زودهنگام بخار، با اتکا به تجربه برای جلوگیری از افزایش بیش از حد، مداخله کردند.
پس از نصب PTFE و تنظیم مجدد PID، به طور میانگین 1.2 درجه با تثبیت در عرض 8 دقیقه افزایش یافت. دیگر نیازی به مداخله دستی نبود. کنترل دمای ثابت یکنواختی نرخ ترشی را بهبود بخشید و انحراف استاندارد کاهش وزن در واحد سطح را از 12٪ به 4٪ در سرتاسر دسته های تولید کاهش داد.
خلاصه
بیش از حد دما در مخازن اسید ترشی ناشی از گرمای ذخیره شده در کویل های فلزی و میعانات باقی مانده است که پس از خاموش شدن بخار به گرم کردن حمام ادامه می دهد. با افزایش سن سیم پیچ ها و زبری سطح داخلی باعث افزایش احتباس میعانات می شود، مشکل بدتر می شود.
مبدلهای حرارتی PTFE از طریق جرم حرارتی کم، احتباس میعانات ناچیز و تعادل حرارتی سریعتر، بیش از حد را به حداقل میرسانند. نتیجه کنترل دما بیشتر با شکار کمتر، کاهش زمان تثبیت و حذف مداخله دستی اپراتور است. تنظیم مجدد PID مناسب پس از نصب PTFE مزیت کنترل را به حداکثر می رساند.
پشتیبانی مهندسی برای اندازه مبدل حرارتی PTFE و بهینهسازی سیستم کنترل پس از ارائه حجم مخزن، دامنه بیش از حد جریان و زمان تثبیت، فشار بخار و پارامترهای کنترلکننده موجود در دسترس است.
