DIPLOMADOLGOZAT. Balaton Miklós Gábor

DIPLOMADOLGOZAT

Balaton Miklós Gábor 2009

Pannon Egyetem Vegyészmérnöki- és Folyamatmérnöki Intézet, Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék Vegyészmérnöki szak

DIPLOMADOLGOZAT

Szakaszos gyártócella szimulációja

Balaton Miklós Gábor

Témavezető: dr. Nagy Lajos, egyetemi docens

2009

Szakirány bármelyik

Tanszék Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék

Diplomamunka pontos címe:

Szakaszos gyártócella szimulációja Témavezető(k): dr. Nagy Lajos

A kidolgozás helyszíne(i): PE, Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék

Az elvégzendő feladat A vegyipar számos területén (gyógyszeripar, finomkémia, élelmiszeripar, stb.) egyre nagyobb jelentősége van az automatizált szakaszos gyártórendszereknek. A hatékony technológiafejlesztés és modellbázisú irányítás elengedhetetlen eszköze a rendszer működését jól visszatükröző matematikai modell. A gyógyszeripar és az élelmiszeripar területén a validálás, minőségbiztosítás egyre fontosabb. A beüzemelés során egyébként is elvégzendő minősítési vizsgálatok ésszerű megtervezésével az elvégzendő mérések eredményei a modellezésben és irányításban is felhasználhatók. A Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laboratóriumában működik egy 50 literes zománcozott reaktorra épülő gyártócella. A berendezés számítógépes folyamatirányító rendszerének felújítása jelenleg folyik. Kialakítás alatt van egy monofluidos hűtő-fűtő rendszer. A diplomamunka során el kell készíteni a rendszer szimulátorát UNISIM programban. Meg kell tervezni egy olyan mérési sorozatot, amely alapján a szimulátor paraméterei meghatározhatók. Kialakítani egy olyan felületet, amelynek segítségével elvégezhető a folyamatirányító rendszer tesztelése.

Részfeladatok teljesítésének határideje:

Nyilatkozat Alulírott Balaton Miklós Gábor diplomázó hallgató, kijelentem, hogy a diplomadolgozatomat a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken készítettem

vegyészmérnöki

diploma

Master

of

Chemical

Engineering

megszerzés érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozatban foglaltak saját munkám eredményei, és csak a megadott forrásokat (szakirodalmakat, eszközöket, stb) használtam fel. Tudomásul veszem, hogy a diplomadolgozatban foglalt eredményeket a Pannon Egyetem, valamint a feladatot kiíró szervezeti egység saját céljaira szabadon felhasználhatja

Veszprém, 2008. június

hallgató aláírása

Alulírott dr. Nagy Lajos témavezető kijelentem, hogy a diplomadolgozatot Balaton Miklós Gábor a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken készítette vegyészmérnöki diploma Master of Chemical Engineering megszerzés érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozat védésre bocsátását engedélyezem.

Veszprém, 2009. május

témavezető aláírása

Kivonat A Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laboratóriumában működik egy 50 literes zománcozott reaktorra épülő gyártócella, melynek felújítása során új hűtőfűtő rendszert alakítottak ki. A diplomadolgozat célja a gyártócella ezen részét leképező dinamikus szimulátor elkészítése volt. A vegyiparban már bevált szokás meglévő technológiák leképzése szimulációs programokkal, azzal a céllal, hogy operátorok betanítását végezzék, üzemzavarok elhárítását, az üzem indítását, leállítását gyakorolják (OTS – Operator Training Simulation), a valós rendszeren nehezen kivitelezhető mérést, üzemeltetési módot próbáljanak ki (biztonságtechnika), illetve a telepítés előtt új szabályozókat, szabályozási struktúrákat teszteljenek. A szimulátor az Aspentech HYSYS® programján alapuló Honeywell UniSim™ Design szimulációs programmal készült. A programcsomag stacioner és dinamikus szimulációt is egyaránt lehetővé tesz. A program segítséget nyújthat tervezési, üzemeltetési és optimalizálási feladatok megoldásában, illetve a vegyipar különböző területein a beruházások gazdaságosságának vizsgálatakor. A szimulátor elkészítésekor a valóság lehető legjobb közelítése volt a cél. A gyakorlati részben bemutatásra kerül a szimulátor létrehozásának folyamata, illetve a szimulátoron végzett vizsgálatok eredményei.

Kulcsszavak: szakaszos gyártócella, monofluid, UniSim™ Design

Abstract At the Department of Process Engineering, University of Pannonia (Hungary) a 50 liter stirred batch reactor with a heating-cooling monofluid jacket applying three temperatures was developed. The aim of this diploma work is to create the dynamic simulator of this batch unit. Simulation of chemical processes has been used for a long time with the aim of process optimization, controller design and optimization, safety evaluation, transitions between operating conditions, and startup/shutdown condition testing and designing, testing, and training employees on new processes offline (OTS – Operator Training Simulation) before they are implemented. Applying the dynamic simulator of monofluid heating-cooling system new control structures can be tested without using the physical system. The simulator was developed in Honeywell’s UniSim™ Design Suite, which is based on HYSYS® simulation software. It supports steady-state and dynamic simulation, design, performance monitoring, optimization and business planning for process industries. During the making of the simulator my aim was the best possible approximation of reality. In the experimental section the creating process of the simulator and simulation results will be demonstrated.

Keywords: batch unit, monofluid, UniSim™ Design

Bevezetés ................................................................................................................. 1 1.

Irodalmi áttekintés ......................................................................................... 2 1.1.

Szakaszos technológiai rendszerek................................................................. 2

1.1.1. 1.1.2.

1.2.

A szakaszos üzemek összehasonlítása más üzemeltetési módokkal..........................2 Szakaszos rendszerek ................................................................................................5

A szakaszos rendszereknél alkalmazott köpenykapcsolási megoldások..... 6

1.2.1. 1.2.2. 1.2.3.

1.3.

Direkt köpeny fűtés-hűtés recirkuláció nélkül...........................................................6 Cirkulációs köpenykapcsolások ................................................................................7 Monofluidos (egyközeges) hűtő-fűtő rendszer........................................................10

Dinamikus szimulátorok felhasználása ....................................................... 11

1.3.1. 1.3.2.

2.

OTS rendszerek .......................................................................................................12 OTS rendszerek felhasználása.................................................................................13

Elméleti áttekintés ........................................................................................ 14 2.1.

A szakaszos gyártócella bemutatása ............................................................ 14

2.1.1. 2.1.2.

2.2.

A monofluidos hűtő-fűtő rendszer és a reaktor működése ......................................16 A legalacsonyabb hőmérsékletet biztosító hűtőgép.................................................17

Az UniSim™ Design programcsomag ismertetése ..................................... 18

2.2.1. 2.2.2.

Az UniSim™ Design programcsomag és felhasználási lehetőségei .......................18 Az UniSim™ Design dinamikus része ....................................................................18

2.3. Az UniSim™ Design szimulációs programcsomag felhasználói felületének általános ismertetése [15] ........................................................................................... 24 2.3.1. A szimulátor alapvető adatainak megadására szolgáló felület („Basis Environment”) .......................................................................................................................24 2.3.2. A szimulátor létrehozására szolgáló felület („Simulation Environment”)...............26 2.3.3. Fontosabb menüpontok ...........................................................................................28

3.

Gyakorlati rész.............................................................................................. 29 3.1. A szimulátor elkészítéséhez felhasznált UniSim™ Design modellek bemutatása .................................................................................................................. 29 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.1.7. 3.1.8. 3.1.9. 3.1.10.

3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3.

4.

Anyagáram: (Material Stream)................................................................................29 Energiaáram: (Energy Stream) ................................................................................29 Szelep: (Valve)........................................................................................................30 Tartály: (Tank/Separator/3 Phase Separator/Separator with Tube Bundle).............30 Szivattyú: (Pump)....................................................................................................31 Kompresszor (Compressor).....................................................................................31 Hőcserélő: (Heat Exchanger/Heater/Cooler/LNG Exchanger/Air Cooler) .............31 Virtuális keverő és áramosztó (Mixer/ Splitter) ......................................................32 Csőszakasz (Pipe)....................................................................................................32 A „Spreadsheet” modul ......................................................................................32

A szimulátor felépítése .................................................................................. 33 A monofluid egység ................................................................................................34 A reaktorkör ............................................................................................................50 A teljes rendszer ......................................................................................................56

Szimulációs vizsgálatok eredményei............................................................ 58 4.1.

A mérések körülményei................................................................................. 58

4.2.

A paraméterek meghatározásakor tapasztaltak bemutatása .................... 58

4.3.

A benyúló csőköteges szeparátor modellen alapuló reaktorkialakítás ..... 60

4.4.

A második reaktorkialakításon végzett szimuláció .................................... 64

4.5.

A két reaktor kialakítás összehasonlítása.................................................... 67

Összefoglalás ........................................................................................................ 68 Irodalomjegyzék ................................................................................................... 69 Mellékeltek............................................................................................................ 70 Köszönetnyilvánítás.............................................................................................. 80

Bevezetés A vegyipar egyes területein, ahol a nagy folyamatos technológiákhoz képest sokféle és kis mennyiségű terméket állítanak elő, túlnyomórészt szakaszos technológiákat alkalmaznak, mint például a gyógyszeriparban, finomvegyszer gyártásban, stb.. Ezen technológiák esetében nagyon fontos a receptben előírt hőmérsékletek pontos tartása, és a reaktorban a lehető legegyenletesebb hőmérséklet eloszlás biztosítása. Szakaszos technológiák esetében a reaktorok köpenyen keresztüli hűtése illetve fűtése sokféleképpen megvalósítható. Az iparban még mindig a legelterjedtebb a változó közegű azaz multifluid köpeny hűtés-fűtés (több mint 90 %), amely esetében két vagy három különböző közeg végzi a hűtést illetve a fűtést. Ebben az esetben a szabályozás feladata a megfelelő közeg és annak a mennyiségének beállítása. A multifluid rendszereket is több típusra oszthatjuk, attól függően, hogy a hőközlő közeg közvetlenül (direkt kapcsolás) vagy közvetetten, azaz egy hőcserélőn keresztül (indirekt kapcsolás) adja át a hőjét a reaktor köpenyében lévő közegnek. Ezen különböző megoldásokra eltérő szabályozási struktúra lehet a legmegfelelőbb. A másik megoldás az új monofluidos köpeny hűtés-fűtés, amelynél azonos, de különböző

hőmérsékletű

közegekkel

lehet

végezni

a

reaktor

köpenyének

hőmérsékletszabályozását. Két különböző hőmérsékletű közeg alkalmazására számos irodalmat lehet találni, ahol a váltást egy osztott hatáskörű (split-range) szabályozóval valósítják meg (ezt a technikát a multifluidos rendszereknél is alkalmazzák), viszont három különböző hőmérsékletű közegre kevés irodalom található, mint ahogy az ehhez tartozó split-range szabályozóról is. A diploma célja, hogy a létrehozzam a Honeywell

UniSim™ Design

programcsomag segítségével a Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken található 50 literes szakaszos reaktor és a hozzá tartozó monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszer dinamikus szimulátorát. Így megállapíthatjuk ennek a szimulációs programnak a határait, ami segíti a későbbi felhasználást. A TDK munkám során már megismertem a technológiát, és Simulink program keretein belül elkészítettem a monofluidos köpeny hűtés-fűtés modelljét. A diplomamunkámban a TDK során megkezdett munkát folytattam egy az iparban használt szimulációs program felhasználásával. A dinamikus szimulátort fel lehet használni a későbbiekben különböző szabályozó struktúrák tesztelésére, illetve hallgatói laborok során oktatási célokra is.

1

Irodalmi áttekintés

1. Irodalmi áttekintés A fejezet célja, hogy bemutassam a szakaszos technológiákat, és azok felhasználási területeit. Majd kitérek batch technológiák esetén az egyik legfontosabb szabályozott paraméterre, a hőmérsékletre, amely köpenyes reaktorok esetén számos köpenykapcsolással szabályozható. Majd bemutatom a dinamikus szimulátorok felhasználási lehetőségeit is.

1.1. Szakaszos technológiai rendszerek A technológiai rendszerek osztályozása a folyamatjellemzők, mint például a hőmérséklet időbeli alakulása alapján történik. Ha az időbeli változás elenyésző, a technológiai folyamatot állandósultnak, vagyis stacioner állapotúnak tekintjük. A következőekben bemutatásra kerülnek a szakaszos technológiák jellemzői, illetve összehasonlítom más üzemeltetési módokkal. [1] 1.1.1. A szakaszos üzemek összehasonlítása más üzemeltetési módokkal Alapvetően három üzemeltetési módot különböztetünk meg, ezek a folyamatos, szakaszos és diszkrét rendszerek. Folyamatos technológia: 

a feldolgozandó nyersanyag különböző, speciális berendezéseken halad keresztül,



a berendezések stacioner állapotban üzemelnek és mindegyik egy meghatározott feladatot lát el,



a termék folyamatos áramú.

Diszkrét technológia: 

a termék előállítás tételekben (lot ~ azonos nyersanyag és gyártási eljárás) történik,



adott mennyiségű termék mozog a megmunkáló állomások között,



minden

egyes

darab

azonosítható

és

a

gyártása

követhető

(dokumentálható).

2


Szakaszos (batch) technológia: 

a nyersanyagok feldolgozása adagokban (batch, sarzs) történik,



a feldolgozás meghatározott sorrendben elvégzett műveleteket jelent,



folyamatos és diszkrét technológia jellemzőit is hordozza,



nagy flexibilitást biztosít.

A folyamatos rendszerek esetében a technológia műveletei egységei folyamatosan követik egymást térben és időben. Adott termék előállítására tervezik, a termékáramok folyamatosak, valamint az egész rendszerben, minden műveleti egységben stacioner állapotok uralkodnak. Így általában nem igényel a folyamatos

üzem

jelentős

kezelői

beavatkozást.

Kezelői

beavatkozás

vészhelyzetek esetén, vagy a rendszer leállítása és indítása során szükséges. A folyamatos technológiák adott munkapont környezetében üzemelnek. A leállási és indítási szakasz időtartama nem mérhető össze a normál üzemvitel idejével, ami nagyságrendekkel hosszabb is lehet. Diszkrét rendszerek elsősorban a gépgyártásban fordulnak elő. Nagy mennyiségű anyagok mozognak a megmunkáló állomások között, és minden egyes darab azonosítható. Nyomon követhető a gyártás minden apró fázisa és jól dokumentálható. Ilyen tipikus diszkrét rendszerek az autógyárak. Szakaszos üzemekben a technológiai műveletek adott sorrendben követik egymást. A berendezéseket itt nem egy termék előállítására alakítják ki, hanem esetlegesen több termék előállítására is alkalmasnak kell lennie ugyanannak a technológiai egységnek. Így gyakran igen eltérő körülményeket kell biztosítani az adott rendszerben, ez nagy rugalmasságot, flexibilitást követel. A szakaszos technológiákban jelentősen nagyobb az élőmunka igény, mint a folyamatos rendszereknél. Itt a kezelői beavatkozás a technológiai folyamat szerves része. A rendszer nem munkapont környezetében, hanem egy jelleggörbe mentén mozog. Az ipar számos területén találkozhatunk batch technológiával, főként a gyógyszer- és élelmiszeriparban alkalmazzák. Valamint jelentős még a vegyipari alkalmazása is, de itt is leginkább a finomkémiai ágazatban. A pontos iparági felosztást az 1. táblázatban, a különböző szakaszos technológiák megoszlását pedig a 1. ábrán láthatjuk. [1], [2]

3


Működési mód Iparág Szakaszos

Folyamatos

Vegyipar

45 %

55 %

Élelmiszeripar

65 %

35 %

Gyógyszeripar

80 %

20 %

Kohászat

35 %

65 %

Szilikátipar

35 %

65 %

Papíripar

15 %

85 %

1. táblázat: A különböző technológiák megoszlása a vegyipar különböző területein

Egyéb Festék, 3% színezék Üveg, 6% szigetelő 6%

Műgyanta 30%

Acél és koksz 8% Olajfinomítványok 8%

Élelmiszer 8% Gyógyszer és növényvédőszer 11%

Finomvegyszer 20%

1. ábra: Szakaszos technológiák megoszlása az iparban

4


1.1.2. Szakaszos rendszerek A szakaszos rendszereket üzemmód alapján három részre oszthatjuk: szakaszos (batch), félszakaszos (semi-batch) és rátáplálásos (fed-batch). Batch rendszerek osztályozása: 

Többtermékes rendszerek – multiproduct, multigrade



Több gyártóvonalas rendszerek – multistream



Többcélú rendszerek – multipurpose

Szakaszos rendszerekben a gyártási folyamatok egymásra épülnek, meghatározott sorrendben következnek a végrehajtandó lépések. A keletkező végtermékek adagokban, sarzsokban kerül előállításra. Az ilyen típusú technológiákban általában szabványos készülékeket építenek be, így a rendszerek könnyen átalakíthatok, így kielégítve a rugalmasság követelményét. A szabványos készülékek csereszabatosak, vagyis bármikor utánrendelhetők és azok azonnal beépíthetők. Rugalmas technológiai rendszerek: 

Rögzített struktúra  Statikus rugalmasság





Különböző nyersanyag



Különböző termékminőség



Különböző üzemeltetési paraméterek

Strukturális rugalmasság: a technológiai berendezések kapcsolata is megváltozik



Csővezeték nélküli rugalmas rendszerek (pipeless)

A szakaszos technológiák fejlődését és megértését nagyban segítik a szabványok, mint a NAMUR (Normenarbeitsgemeinshaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie) vagy az IEC 61512-1 (S88. 01.). [3]

5


A szabványok bevezetésének előnyei: 

Csökken az új termék bevezetésének és felfutásának ideje



A gyártók megfelelő folyamatirányító rendszert tudnak gyártani



A felhasználok pontosan meg tudják fogalmazni igényeiket



A recetúra szerkesztését irányítástechnikai szakemberek nélkül is el lehet végezni



Csökken a batch automatizálás költsége



Csökken a mérnöki ráfordítás

1.2. A szakaszos rendszereknél alkalmazott köpenykapcsolási megoldások Az iparban alkalmazott köpenykapcsolási módokat különböző szempontok alapján csoportosíthatjuk [4], [5]: 

Átfolyós vagy cirkulációs



Közvetlen (direkt) vagy közvetett (indirekt)



Egy vagy többközeges

1.2.1. Direkt köpeny fűtés-hűtés recirkuláció nélkül A 2. ábrán látható átfolyós, kétközeges köpenykapcsolás a legegyszerűbb közvetlen (direkt) hűtésű-fűtésű rendszer, főleg kézi szabályozású reaktoroknál alkalmazzák. A reaktor hőmérsékletének szabályozása közvetlenül a köpenybe vezetett közeg térfogatáramával történik. A működési tartomány: -20―180 ˚C között van, amit gőzzel illetve víz és etilénglikol keverékével lehet elérni. A rendszer gyors válaszú, ami nem kívánt hatásokat okozhat, így például fűtés esetén a fal mentén mellékreakciók játszódhatnak le a túlmelegedés miatt, illetve váltás során hősokk is felléphet. Hasonló problémák léphetnek fel a hőelvonás során is, hideg területek alakulhatnak ki a hűtőfolyadék bevezetésénél. Az üzemmód váltás során a térfogatáram nagysága is változik, ami a Reynoldsszám és a hőátadás hatékonyságának változását vonja maga után, és kis térfogatáramlásoknál lerakodások is kialakulhatnak.

6


2. ábra: Kétközeges, közvetlen, átfolyós köpenykapcsolás 1.2.2. Cirkulációs köpenykapcsolások Az átfolyós rendszer hátrányainak elkerülése érdekében alkalmazzák szívesebben a cirkulációs köpeny hűtés-fűtést az iparban, mivel így állandó és nagy térfogatáramot lehet előállítani a köpenyben, a hőátszármaztatási tényező magas, és nem alakulnak ki hideg, illetve meleg helyek. A cirkulációs köpeny üzemmódon belül beszélhetünk direkt, illetve indirekt megoldásokról. Direkt hűtésű és direkt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás Ebben az esetben a köpeny recirkulációs körébe állandó hőmérsékletű hűtő illetve fűtő közeg kerül bevezetésre, amelynek a hőmérsékletét előzőleg hőcserélőkön keresztül állították be. A gyors hőtani válasz az előnyük e rendszereknek a későbbiekben bemutatásra kerülő közvetettekkel (indirekt) szemben, ami annak köszönhető, hogy ezek a rendszerek nem tartalmaznak hőcserélőket, amik lassítanák a hőátadás folyamatát. A 6. ábrán látható kialakítás egy egyközeges, cirkulációs, direkt rendszer, amely esetén ha a hűtőfolyadék víz, a hőmérséklettartomány nyomástól függően 5-180˚C. Ezt a gőz ejektoros cirkulációs köpenyelrendezést Ciba Geigy és Weigand fejlesztett ki. Víz-alkohol elegyével a hőmérséklettartomány alsó határa

7


kitolható. A rendszer automatizálása bonyolult, a közegváltása során problémák léphetnek fel, főként exoterm reakció kontrolálása során. Működési problémát okozhat, hogy a közegek szennyezhetik egymást, ezek korróziós problémákat is okozhatnak.

3. ábra: Direkt hűtésű és direkt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval Direkt hűtésű és indirekt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás A direkt hűtésű és indirekt fűtésű rendszer működési tartománya -20 ―180 ˚C hőmérsékletek közé esik. Egy ilyen elrendezést láthatunk a 4. ábrán, ahol a fűtést általában egy lemezes hőcserélővel oldják meg, a hűtés pedig a hűtőfolyadék közvetlen befecskendezésével valósítható meg. A váltás a két üzemmód között split range kapcsolású szabályozással problémamentes oldható meg. A direkt hűtőfolyadék injektálás miatt, hűtő üzemmódban a rendszer jelentősen gyorsabb válaszú, mint fűtés esetén.

8


fűtő gőz hűtőfolyadék

kondenzátum

4. ábra: Direkt hűtésű és indirekt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval Indirekt hűtésű és indirekt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás Indirekt hűtés-fűtés esetén, a zárt hűtőkörben a hűtést és a fűtést két lemezes hőcserélővel oldható meg. Egy ilyen kapcsolást láthatunk az 5. ábrán is, amelynek előnye, hogy a közvetett hőcsere miatt egy kevésbé drága hűtőközeg is alkalmazható, illetve centralizált, több reaktort kiszolgáló hűtőközeg szolgáltatást lehet kialakítani. A megfelelő hőközlő folyadékkal a hőmérséklettartomány kitolható akár -20 ˚C-tól -220 ˚C-ig.

fűtő gőz

hűtőfolyadék

5. ábra: Indirekt hűtésű és indirekt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval

9


1.2.3. Monofluidos (egyközeges) hűtő-fűtő rendszer Egy másik megoldás az új monofluidos köpeny hűtés-fűtés, amelynél azonos, de különböző hőmérsékletű közegekkel lehet végezni a reaktor köpenyének hőmérsékletszabályozását. Ebben az esetben mind a fűtés, mind a hűtés is közvetlen (direkt), és a rendszer egy közeget tartalmaz (ezért monofluid), de különböző hőmérsékleten, amelyeknek az előállítása a reaktor környezetében történik, tehát nem külső hálózatról érkezik a hőenergia. A megfelelő hőközlő folyadék megválasztása esetén a hőmérséklettartomány -30―360 ˚C lehet. A monofluidos köpeny hűtés-fűtés előnyei közé tartozik, hogy egyenletes hőmérséklet eloszlást lehet biztosítani a köpenyben, így elkerülhetőek a nem kívánt mellékreakciók és a reaktorelfutás, egyenletes a hőmérséklet változása is, azaz nem jelentkeznek hősokk illetve lokális túlmelegedési (hot spot) problémák. A monofluidos rendszer emellett gyors reagálású és kisebb a karbantartási igénye, mivel azonos közegek esetén kevesebb korróziós termék keletkezik, mint például gőz és hűtővíz esetén. [7] Két különböző hőmérsékletű közeg alkalmazására számos irodalmat lehet találni, ahol a váltást egy osztott hatáskörű (split-range) szabályozóval valósítják meg (ezt a technikát a multifluidos rendszereknél is alkalmazzák [6]), viszont három különböző hőmérsékletű közegre kevés irodalom található, mint ahogy az ehhez tartozó split-range szabályozóról is [8], [9]. A 6. ábrán a tanszéki rendszerrel megegyező köpenykapcsolást lehet látni, amely három különböző hőmérsékletű közeget tartalmaz. A háromközeges monofluidos rendszer hátránya, hogy a különböző hőmérsékletű közeg közötti váltást összehangoltan kell működtetni. Ez bonyolultabb, mint a hagyományos split-range szabályozás esetén, ahol csak két szelepet kell összehangolni. Viszont ez a megoldás gazdaságosabb, mint a teljes hőmérséklettartományt átfogó két közeg alkalmazása. Például ha hűteni kell a reaktort, nincs szükség minden esetben a leghidegebb közegre, használható az olcsón előállítható (hálózati vizes hűtésű) közepes hőmérsékletű közeg is (~20 °C).

10


6. ábra: Monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszer

1.3. Dinamikus szimulátorok felhasználása Ebben

a

fejezetben

a

dinamikus

szimulátorok

iparban

történő

felhasználásának lehetőségeit mutatatom be, kiemelve azok alkalmazásnak előnyeit. A fejezet második felében kitérek arra is, hogy a tanszéken milyen előnyökkel

járhat

a

szakaszos

gyártócella

dinamikus

szimulátorának

felhasználása. [10], [11]

11


1.3.1. OTS rendszerek A vegyipari technológiákkal szemben napjainkban egyre szigorúbb biztonsági és környezetvédelmi elvárásokat támasztanak. A kihívásoknak megfelelni nem csak a technológiák korszerűsítésével, hanem az üzemeltető személyzet folyamatos képzésével is lehet. A rendeltetésszerű üzemeltetéshez, az irányítótermi operátorok megfelelő felkészültsége szükséges, ugyanis egyszerre csak néhány ember felelős a nagy értékű berendezésekért és bizonyos esetben csak a saját tapasztalataikra számíthatnak. Egy jól tervezett technológiai folyamat esetében a legnagyobb veszélyt a rossz operátori beavatkozás jelenti, ami kritikus esetben stressz hatására könnyen előfordulhat. Idővel a napi rutinfeladatok végzése során a kezelő elvesztheti a vészhelyzetek kezelésének képességét. Napjainkban az operátorok képzésének és minősítésének fontos részét képezik a technológia dinamikus modelljén alapuló tréning szimulátorok (Operator Training Simulator – OTS). Ezek az eszközök lehetővé teszik az operátorok képességeinek fejlesztését és minősítését ugyanabban a környezetben, ahol a mindennapi munkájukat végzik. Az operátorok a tréning során rutinfeladatokat oldanak meg és különböző vészhelyzetekkel, meghibásodásokkal találkoznak anélkül, hogy a valós üzemet veszélyeztetnék. Ezáltal nem csak ezek elhárításában szereznek tapasztalatot, hanem mélyebb összefüggéseiben értik meg a folyamatot. Az eszköz ezeken kívül alkalmas még egyéb modell alapú vizsgálatok elvégzésére is.

12


1.3.2. OTS rendszerek felhasználása Az OTS rendszerek először a repülés területén jelentek meg repülőgép szimulátorok képében. Azóta a pilótáknak évente több alkalommal kell részt venniük tréningen, hogy felkészültek maradjanak a veszélyhelyzetekre. A repülést követően az atomerőművekben létesítettek tréning rendszereket, különösen a jól ismert nukleáris balesetek után (Csernobil, Three Miles Island). Ahogy a neve is mutatja az OTS elsődleges felhasználói az operátorok. A kezdő operátorok betanulásában és rutinszerzésében segít. Ez különösen egy új üzem átadásakor jelenthet könnyebbséget, mert addigra a személyzet már szerezhet tapasztalatot az üzemeltetésben. A rutinos irányítók esetében pedig elmélyítheti a megértést és addig nem tapasztalt helyzetekre készítheti fel őket. A rendszer legfontosabb feladata a tréningezési lehetőség biztosítása a következő célokkal: 1) Az üzemet irányító személyzet gyakorlati tapasztalatokkal való ellátása az adott folyamat különböző állapotaiban: Normál üzemmenet különböző betáplálás mellett, normál üzemindítás és leállítás, meghibásodások és a meghibásodás után a normál üzemmenet visszaállítása, vészleállítás. 2) Az operátorok teljesítményének növelése. A gyakorlás során elsajátított képességekkel csökkenhet az üzemzavaros állapotok száma és ideje, amely a termelékenység növekedésével jár. A tréningen kívül az OTS használható: 

Új irányítási struktúrák, új szabályozó körök, szabályozási szekvencia, vagy többváltozós irányítási alkalmazások tesztelése, a valós rendszerbe történő telepítés előtt.



Új és a megszokottól eltérő üzemeltetési paraméterek kipróbálása és ezen állapotok tesztelése (a mérnökök feladata). Továbbá fontos az üzem modelljének a folyamatos frissítése, anyag-, és hőmérlegének ellenőrzése.



Irányítórendszerben, akár APC-ben jelentkező probléma megoldása, alternatíva

tesztelése.

13

Elméleti áttekintés

2. Elméleti áttekintés Ebben a fejezetben bemutatásra kerül a Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laborjában lévő szakaszos gyártócella, annak működése, illetve a szoftver, amivel a dinamikus szimulátor készült.

2.1. A szakaszos gyártócella bemutatása A tanszéken található szakaszos gyártócella fő részét egy 50 literes zománcozott, keverővel ellátott, köpenyes reaktor képezi. A reaktorhoz tartozó további egységek a következők: 

Monofluidos köpeny hűtés-fűtés



Adagoló tartályok



Kondenzátor



Párlatszedő tartály A teljes szakaszos gyártócellát a 7. ábrán láthatjuk, viszont a diplomamunka

szempontjából csak a köpenyes reaktor és monofluidos hűtő-fűtő rendszer volt fontos, mivel e részeknek készítettem el a dinamikus szimulátorát. Ennek az az oka, hogy a reaktorhoz tartozó többi berendezés irányító rendszere jelenleg felújítás alatt áll, ezért méréseket nem tudtam rajtuk végezni.

14


7. ábra: A teljes szakaszos gyártócella folyamatábrája

15


2.1.1. A monofluidos hűtő-fűtő rendszer és a reaktor működése A tanszéken működő monofluidos köpeny hűtés-fűtés három 100 literes tartállyal rendelkezik, amelyekben különböző hőmérsékletek állíthatóak be. Egyszerre csak egy tartály folyadékát vezetjük a köpenybe (lehetne többet is, de nem keverjük a különböző hőmérsékleteket), amit gömbcsapokkal lehet megválasztani. A kilépő oldalon a köpenyből távozó folyadékot ugyanabba a tartályba vezetjük vissza, amelyikből éppen folyadék lép be a köpenybe, viszont gazdaságosabbá tehető a rendszer és csökkenthetjük a tartályok hőmérsékleteinek nem kívánt változásait, ha a köpenyből kilépő közeget a hőmérsékletéhez legközelebb eső tartályba vezethetjük vissza. A tartályokat túlfolyók kötik össze, amik megakadályozzák a tartályok esetleges megtelését, illetve kiürülését, ami a szivattyú üres járását okozná. A tartályokban alkalmazott hőközlő közeg két komponensből áll. A feltöltés során 64 V/V% víz és 36 V/V% hűtőfolyadék (etilén glikol és propilén glikol keveréke) arányú közeg lett bemérve a tartályokba. Mindhárom tartály zárt, egy szelep biztosítja a kapcsolatot a légkör felé, igény esetén túlnyomással is lehet őket üzemeltetni. Mindegyik tartály kivezetésén egy szivattyú (GRUNDFOSS CR 1-3) biztosítja a folyadék visszacirkulálását, illetve nyitott állapotú gömbcsapok esetén az áramlást a köpeny felé. Egy fojtószeleppel lehet beállítani a nyitott gömbcsapok esetére, hogy mennyi folyadék jusson a köpenybe, illetve mennyi cirkuláljon vissza a tartályba. Tervezési értékek alapján a szivattyún átáramló mennyiség 1200 l/h, ami nyitott gömbcsap állás esetén a következő osztást jelenti: kb. egyharmad cirkulál vissza a tartályba és kb. kétharmad jut a köpenybe. A visszatérő ágon a hőközlő folyadék mennyiségét szabályozó szeleppel lehet változtatni. A legmelegebb közeg hőmérsékletének beállítása a szivattyú után elhelyezett két db elektromos fűtőpatron (2×4,5 kW) segítségével történik. Az elérhető maximális hőmérséklet 130 °C. A közepes hőmérsékletű közeg megfelelő hőmérsékleten tartása egy lemezes hőcserélővel (APU A/S U121R 100D-R) történik, amit a szivattyú után

16


helyeztek el. A hűtés egy vezérelt csappal kapcsolható, amely a hálózati víz áramán található. A tartály működési tartománya kb. 15-20 °C. A leghidegebb közeg hőmérsékletének beállítása egy nagyteljesítményű kibe kapcsolható hűtőgéppel történik. A hőátadás egy lemezes hőcserélőn keresztül történik, és az elérhető minimális hőmérséklet -15 °C. A tartályok hőmérsékletének mérése a tartály alján elhelyezett Pt 100-as hőmérővel, a hőmérsékletszabályozás on-off szabályozóval történik. A kilépő oldali gömbcsapok után az adott közeg a reaktorköpeny cirkulációs körébe kerül, ahol a közeg áramlását egy szivattyú (GRUNDFOSS CR 3-4) biztosítja. Két helyen történik még hőmérsékletmérés, a köpeny recirkulációs körében a belépő illetve kilépő oldalon, illetve a szivattyúk nyomóoldali nyomása kézi szeleppel állítható és manométerekről olvasható le. A gyártócella fő része egy 50 literes keverővel ellátott zománcozott reaktor, amelyben hőmérsékletet és nyomást lehet mérni. A köpeny hőmérsékletszabályozás a hűtő-fűtő rendszer szelepének és gömbcsapjainak az összehangolt működtetésével oldható meg. 2.1.2. A legalacsonyabb hőmérsékletet biztosító hűtőgép A

legalacsonyabb

hőmérsékletű

közeget

tartalmazó

tartály

hőmérsékletszabályozása egy nagyteljesítményű hűtőgéppel történik. A hűtőgép részei: 

Kompresszor: Copeland ZB-56 KQ csavarkompresszor



Kondenzátor: LH 104 névleges teljesítmény: 23,86 kW



Ventillátorok: 2 db 450mm-es



Folyadék hőcserélő: SWEPP B25x18 A tartály folyadékjának hűtése egy lemezes hőcserélőn keresztül történik,

amit laboron kívül helyeztek el a hűtőgép házában.

17


A hűtőgép R404A hűtőfolyadékkal van töltve, aminek az összetétele a következő [12]: R125

CHF2CF3

44

m/m%

R143A

CH3CF3

52

m/m%

R134A

CH2FCF3

4

m/m%

Névleges hűtőteljesítmény: -10 °C-on

11,5 kW

Névleges hűtőteljesítmény: -15 °C-on

9,1 kW

2.2. Az UniSim™ Design programcsomag ismertetése Ebben a fejezetben a szimulátor elkészítéséhez felhasznált program működését, tulajdonságait és egyéb felhasználási lehetőségeit fogom bemutatni. 2.2.1. Az UniSim™ Design programcsomag és felhasználási lehetőségei Az UniSim™ Design szimulációs program az Aspentech HYSYS® programjának továbbfejlesztésével jött létre, és 2005-ben adta ki az első a szériát a Honeywell. A programcsomag stacioner és dinamikus szimulációt is egyaránt lehetővé tesz. A program segítséget nyújthat tervezési, üzemeltetési és optimalizálási feladatok megoldósában, illetve a vegyipar különböző területein a beruházások gazdaságosságának vizsgálatakor. [13] „Egy modell, számos felhasználás”. Ez azt jelenti, hogy az adott eljárásról elég egy modellt létrehozni, amit a tervezés különböző fázisain fel lehet használni. Tervezési fázis alatt segítséget nyújthat a tervezés elvi kérdéseiben, a tényleges eljárástervezésben, részletes mérnöki tervezésben és végül a működőképességi vizsgálatokban. A technológia felépítése után ugyanazt a modellt fel lehet használni az üzemeltetés hatékonyságának növelésére, az operátorok tréningére, biztonságtechnikai vizsgálatokra és a technológia optimalizálásra. Mindemellett az UniSim™ Design megfelelő környezetet biztosíthat a vegyipar különböző területein jelentkező modellezési feladatok esetében is. 2.2.2. Az UniSim™ Design dinamikus része A vegyipari üzemek ritkán működnek stacioner üzemben, ami a külső és belső zavarásoknak egyaránt köszönhető, mint például a környezeti hatások, hőcserélők elpiszkolódása, katalizátor aktivitáscsökkenés, stb. Ebből kifolyóan a

18


kémiai technológiai objektumok tranziens állapotainak vizsgálatára dinamikus szimulációs eszközökre van szükség, mint amilyen az UniSim™ Design programcsomag is. Az UniSim™ Design dinamikus és stacioner felületének összehasonlítása Kémiai eljárások tervezése és optimalizáláskor mind a stacioner, mind a dinamikus viselkedést figyelembe kell venni. A stacioner modellekkel stacioner energia és anyagmérleget lehet számolni, illetve különböző üzemkialakításokat lehet kiértékelni. Így az optimalizálás során a tervezőmérnök a stacioner szimulátor felhasználásával a termelés maximalizálása mellett csökkentheti a beruházási költségeket. Dinamikus szimulációval biztosítható, hogy az üzem könnyen kézben tartható és biztonságos módon gyártsa a kívánt terméket. A dinamikus szimuláció során a készülékek részletes definiálásával a valós üzem berendezéseinek működése

is

nyomon

követhető.

Offline

dinamikus

szimulációval

a

szabályozókörök is optimalizálhatóak anélkül, hogy veszélyeztetnénk az üzem biztonságos működését és nyereségességét, ezen felül még beépítés előtt tesztelhetőek különböző szabályozási struktúrák a valós rendszertől függetlenül, valamint tanulmányozhatóak a különböző zavarásokra történő dinamikus válaszok. Az UniSim™ Design dinamikus része ugyanazokkal a tulajdonság csomagokkal rendelkezik, mint a stacioner, így hasonló módon számolja a kémiai rendszerek hőtani, egyensúlyi és reakciós viselkedésit. Viszont a dinamikus modell eltérő mérlegegyenleteket alkalmaz, amelyek a tulajdonságok időbeli változásait írják le. Az anyag-, energia és komponensmérlegek dinamikus esetben a felhalmozódást leíró taggal bővülnek. A mérlegek közelítésére nemlineáris differenciál egyenletek szolgálnak, mivel analitikai megoldásuk nincsen. A dinamikus

szimuláció

motorja

differenciál

egyenletek

diszkrét

időintervallumokban történő numerikus megoldásán alapszik. Minél kisebbek az időintervallumok, annál közelebb kerülünk az analitikus megoldáshoz, viszont ez növeli a számításhoz szükséges időt.

19


Az ipar elvárásai egy dinamikus szimulációs programmal szemben Pontosság: Az UniSim™ Design dinamikus szimulációs csomagja rigorózus egyensúlyi, reakció, műveleti egység és szabályozó modelleket alkalmaz, amelyek biztosítják a szükséges pontosságot. Könnyű használat: A dinamikus csomag is ugyanazt az intuitív és interaktív grafikus felületet használja, mint a stacioner. Az áramok és a műveleti egységek ugyanolyan könnyen hozzáadhatóak, mint stacioner esetben, és a stacioner szimuláció eredményei akadálymentesen átvihetőek a dinamikus felületre. Sebesség: Az UniSim™ Design programot úgy tervezték, hogy pontosság ne menjen a sebesség rovására. A megoldó az implicit fix lépésközű Euler módszert használja, és nagyobb sebességet úgy ér el a pontosság csökkenése nélkül, hogy a különböző mérlegeket eltérő gyakorisággal oldja meg. Részletes tervezés: Részletes méretezési adatokat lehet megadni az egyes műveleti egységeknél, amivel bebizonyítható, hogy az adott egység képes a megfelelő termékmennyiséget és minőséget előállítani. Valószerűség: A magas fokú valószerűség a nyomásvezérelt (Pressure flow) megoldónak köszönhető, amely használatával minden egységen átáramlott térfogatáramot az egység környezetében lévő nyomások szabnak meg. Felhasználói igényekhez való alkalmazkodás: Az UniSim™ Design lehetővé teszi saját OLE modulok beágyazását. A dinamikus megoldó matematikai modelljei, illetve mérlegegyenletei Az UniSim™ Design koncentrált paraméterű modelleket használ, mivel az osztott paraméterű modellek megoldásához több idő és számítási igény szükséges. A tulajdonságok hely szerinti változását más módon számolja, a térfogattal rendelkező egységeket több kisebb részre osztja, és az egyes hold up-ok modelljeit koncentrált paraméterűként megoldva a teljes egységre megkapjuk az adott tulajdonság hely szerinti változását. Az UniSim™ Design számításainak alapját a mérlegegyenletek adják.

20


Tömegmérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén) d  oV   Fi  i  Fo  o , dt

ahol: Fi = a betáplálás térfogatárama i = a betáplálás sűrűsége Fo = az elvétel térfogatárama o = az elvétel sűrűsége V = az egység térfogata Komponensmérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén) d c joV  dt

 Fi c ji  Fo c jo  R jV ,

ahol: cji = a ’j’ komponens koncentrációja a betápláláskor cjo = a ’j’ komponens koncentrációja a elvételkor Rj = a ’j’ komponens forrása Energiamérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén)

d u  k   V   Fi  i u i  k i  i   Fo  o u o  k o   o   Q  Qr  w  Fo po  Fi pi  , dt ahol: u = belső energia k = kinetikus energia  = potenciális energia V = a fluidum térfogata w = a befektetett munka po = a készülék nyomása pi = nyomás a betápláláskor Q = a környezetből érkező hő Qr = a reakcióban keletkező hő

21


Megoldási módszer, integrálási stratégia Analitikusan: t n 1

Yn 1  Yn 

 f Y dt ,

tn

ahol:

dY  f Y  dt Az UniSim™ Design dinamikus felülete a közönséges differenciál egyenleteket az implicit Euler módszerrel oldja meg, ami a téglány integrálási formulát (8. ábra) használja az Yn+1 közelítésére. Az implicit Euler módszer képes stiff rendszerek kezelésére is. Az integrálási paramétereket, mint például a lépésközt az integrátorban lehet állítani, amivel a számolás stabilitását és sebességét tudjuk befolyásolni.

8. .ábra: A téglány integrálási módszer Az UniSim™ Design a számításokat három különböző gyakorisággal végzi el, a különböző mérlegegyenleteket nem oldja meg minden egyes lépésben, mert ennek nagyon nagy lenne a számítási igénye, ezért kompromisszumot kell kötni a különböző összefüggések számolásának gyakoriságát illetően. Alaphelyzetben ez a gyakoriság a térfogat-, energia- és a komponensmérlegek esetében a lépésköz egy-, két- és tízszeresét jelenti.

22


A hold up modell A dinamikus viselkedés főleg abból fakad, hogy az üzemi berendezések egy része rendelkezik hold up-pal, ami abban jelentkezik, hogy az összetétel-, a hőmérséklet- és a nyomás változásának hatása nem érzékelhető azonnal a kimenten. A modell azt számolja, hogy a bemenet változására hogyan változnak időben a berendezés egyes részeinek hold up-jai és kimenetei. A következő számításokat tartalmazza a hold up modell: 

Anyag és energia felhalmozódás



Termodinamikai egyensúly



Hőátadás



Kémiai reakció A hold up modell számos feltételezést tartalmaz:



Mindegyik fázis tökéletesen kevert



Anyag- és hőtranszport csak a hold up betáplálása és a már bent lévő anyag között fordul elő



Fázisok közötti anyag- és hőtranszport csak a hold up-ban fordul elő

A „pressure flow solver” működése Két alapvető egyenlet határozza meg a pressure flow hálózat nagy részét, amelyek csak nyomást és térfogatáramot tartalmaznak. Ellenállás egyenletek: a nyomáskülönbség alapján meghatározzák a térfogatáramot a hold up-ok között. Flow  k p ,

ahol: Flow = tömegáram k = vezetési tényező, az ellenállás reciprokával egyenlő p = súrlódási nyomásveszteség

23


Térfogatmérleg egyenletek: meghatározzák az anyagmérleget a nyomás hold up-okban. A hold up-pal rendelkező berendezések fizikai térfogata nem változik, ezért a benne lévő anyag térfogata is minden pillanatban állandó. V  Const.  f  flow, h, p, T  dV 0 dt

,

ahol: V = a berendezés térfogata t = idő flow = tömegáram h = hold up p = a berendezés nyomása T = a berendezés hőmérséklete Mindkét egyenletnek szüksége van információra a hold up modellből, illetve szolgáltatnak is számára adatot. Amíg a hold up modell a tömeg és energia felhalmozódását, illetve a hold up összetételét számolja, a pressure flow megoldó egyenletei meghatározzák a hold up nyomását illetve a ki- és belépő térfogatáramokat. [14]

2.3. Az UniSim™ Design szimulációs programcsomag felhasználói felületének általános ismertetése [15] Az UniSim™ Design a Honeywell cég Windows XP alatt futó szimulációs szoftvere. Jellemzői közé tartozik, hogy ikon alapú, egérrel vezérelhető, moduláris felépítésű, stacioner és dinamikus modellezést is lehetővé tesz és irányítási struktúrák is leképezhetőek benne. 2.3.1. A szimulátor alapvető adatainak megadására szolgáló felület („Basis Environment”) Modell létrehozása előtt az UniSim™ Design programban, mind dinamikus mind stacioner esetben a „Basis Environment”-ben be kell állítani a szimulációhoz szüksége alapvető adatokat.

24


Basis Environment részei [16]: 

„Components”: Ebben a menüben lehet felvenni a különböző kémiai és hipotetikus komponenseket, amelyeket a szimuláció során alkalmazni kívánunk. Több komponens lista is létrehozható, amelyeket különböző Fluid Package-ekhez lehet hozzárendelni.



„Fluid Pkgs”: Itt lehet létrehozni a különböző fluid package-eket, amelyekhez hozzá kell rendelni egy korábban létrehozott komponens listát, és meg kell határozni a használni kívánt tulajdonság becslő módszert, illetve módosítani lehet annak beállításait. A szimulátor létrehozása során felhasznált modellek esetében különböző fluid packageek adhatóak meg, ezért a basis environment-ben számos fluid package hozható létre.



„Hypotheticals”: Az elméleti komponensek létrehozására szolgál. Az alapvető tulajdonságok (normál forráspont, molekulatömeg, standard folyadéksűrűség, kritikus hőmérséklet, kritikus nyomás, kritikus térfogat, acentrikus tényező) megadásán kívül számos tulajdonságot definiálhatunk. Például

hőmérsékletfüggő

tulajdonságokat

is

megadhatunk

(folyadéksűrűség, gőznyomás, ideális gáz entalpia, ideális gáz entrópia, …), amelyeket a tulajdonság hőmérsékletfüggését leíró polinom paramétereivel lehet definiálni. 

„Oil Manager”: Itt lehet definiálni a szénhidrogéniparra jellemző frakciókat, vágási pontokat, illetve blend-eket lehet létrehozni.



„Reactions”: Ebben a menüben lehet megadni a modellben előforduló reakciókat. Reakciórendszereket is lehet definiálni, az úgynevezett „Reaction set”-ekben, amelyek hasonlóan működnek, mint a fluid package-ek, tehát például több reaktor esetében minden reaktorban egyszerűen csak ki kell választani a már előre definiált reaction set-et, azaz a reakció adatait nem a modell paraméterezésénél kell megadni.



„Component Maps”: Itt lehet a különböző fluid package-ek között komponenseket átvinni. Főleg hipotetikus olajipari komponenseknél hasznos.



„User Properties”: A felhasználó itt definiálhat egyedi tulajdonságokat.

25


2.3.2. A szimulátor létrehozására szolgáló felület („Simulation Environment”) Ebben a környezetben lehet létrehozni a különböző modell blokkokból a szimulátort. Grafikus, könnyen kezelhető felülettel rendelkezik. A simulation environment-ben a program fejlécén található ikonok a következőek: PFD – visszacsatoló gomb a fő PFD-re Workbook – technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Object navigator – technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Simulation navigator – technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Steady state mode – stacioner mód, stacioner modellezéshez Dynamics mode – dinamikus mód, dinamikus modellezéshez Dynamics assistant – dinamikus specifikációk áttekintő felülete Integrator active – szimuláció lefuttatása (stac.), vagy indítása (din.). Integrator holding – számolás leállítása. Take one step – egy további lépés kiszámítása (csak din.) Real time – valós idejű futtatás (csak din.). Kikapcsolva maximális sebességgel futtat. Real time factor – ha a real time gomb aktív (csak din.), akkor ezzel megadható a számolás sebessége. Take multiple steps – megadott számú lépés kiszámítása (csak din.). Set multiple steps – az előző gombhoz tartozó lépésszámot adja meg (csak din.).

26


Integrator auto/manual – a számolás módja állítható vele (csak din.). Enter basis environment – a Simulation Basis Manager nyitható meg vele. Palette (F4) – a programban található modulok. Az UniSim™ Designban elérhető modulokat a Palette-ről lehet kiválasztani, majd beilleszteni őket a folyamatábrára. A 2. táblázatban láthatóak az elérhető modulok. Palette Anyagáram

Energiaáram

Kétfázisú szeparátor

Háromfázisú szeparátor

Tartály

Hűtő hőcserélő

Fűtő hőcserélő

Hőcserélő hálózat

Hőcserélő

Léghűtő

Kemence

Szivattyú

Expander

Kompresszor

Gázvezeték

Folyadékvezeték

Felhasználói modul

Szelep

Biztonsági szelep

Szilárd fázisú műveletek

Áramkeverő

Áramosztó

UOP műveletek

Csőreaktor

Egyéb reaktorok

Áram megszakító

Olajkitermelő műveletek

Abszorber refluxszal

Komponens osztó

Háromfáziú desztilláció

Abszorber kiforralóval Folyadék-folyadék extraktor

Egyszerűsített kolonna Shadow Plant műveletek

Alrendszer

Virtuális áram

Testreszabható kolonna

Adjust

Set

Reset

Spreadsheet

Genesim műveletek

Selector block

Irányítási elemek

On/off kapcsoló

Átviteli függvény

Egyensúly

PID szabályozó

Logikai műveletek

Tökéletesen kevert reaktor Elektrolitos műveletek Desztillációs kolonna Abszorber

2. táblázat: Az UniSim™ Designban elérhető modulok

27


2.3.3. Fontosabb menüpontok Simulation/Integrator: A számítási jellemzők állíthatók be itt. 

General: a számítás általános beállításai (auto/manual átváltás, lépésköz, real time stb.)



Execution: a különböző tulajdonság típusok számítási gyakorisága



Options: megadható, hogy mely jelenségek képezzék a modell részét



Heat loss: a hőveszteség számításához a környezeti hőmérséklet megadása

Tools/Databook: Többek

között

a

modell

tetszőleges

változóinak

ábrázolására

és

adatgyűjtésre szolgál. Itt lehet megadni a más alkalmazások számára elérhető változókat is (pl. DDE kapcsolat).

28

Gyakorlati rész

3. Gyakorlati rész Ebben a fejezetben kerül bemutatásra a diplomamunka során végzett munkám. Először ismertetem az UniSim™ Design programban felhasznált modelleket, működésüket és a számításukhoz szükséges paramétereket. Majd bemutatom a szimulátor működését illetve részeit. Végül a valós rendszeren és a szimulátoron végzett mérések összehasonlítása kerül bemutatásra.

3.1. A szimulátor elkészítéséhez felhasznált UniSim™ Design modellek bemutatása Az elemek testre szabása nem egyértelmű feladat, ugyanis többféle specifikációs lehetőség van, mint amennyi szabadsági fokkal a modell rendelkezik. Ugyanazt a rendszerállapotot többféleképpen is elérhetjük. A következőkben a dinamikus szimulátorban felhasznált modulok legfontosabb specifikációs lehetőségeit fogom bemutatni. 3.1.1. Anyagáram: (Material Stream) Az anyagáramok közül csak a peremen lévő anyagáramok tulajdonságait kell specifikálni (dinamikus esetben), mert a többi már számított értékeket vesz fel. Belépő esetben az összetételt és az állapotváltozó közül kettőt szükséges előírni. A rendszert elhagyó áramnak vagy a nyomását vagy az anyagmennyiségét kell megadni, de érdemes ezen felül még a „Product Block”-ban definiálni a termék összetételét és hőmérsékletét is, mert így esetleges visszaáramlásoknál a beállított tulajdonságú anyagáram áramlik vissza. 3.1.2. Energiaáram: (Energy Stream) Általában a szállított energia mennyiségével jellemezzük.

29

Gyakorlati rész

3.1.3. Szelep: (Valve)

A szelep definiálásához belépő és kilépő áramokra van szükség, illetve dinamikus esetben méretezni is kell. A szelep méretére jellemző tényező a Cv vagy Cg attól függően, hogy folyadék vagy gáz/gőz halad át a szelepen. Megadható a szelep karakterisztikája is (lineáris, gyors nyitású, egyenszázalékos, felhasználó által megadott karakterisztika), valamint a dinamikus beállításoknál részletesen definiálható a pozícionáló működése is. 3.1.4. Tartály: (Tank/Separator/3 Phase Separator/Separator with Tube Bundle)

Ezek a modellek szolgálnak a fázisváltozás számítására, valamint a fázisok szétválasztására. Emellett reakciókat is be lehet vinni a modellekbe, és így lehetőség nyílik tökéletesen kevert reaktorként való alkalmazásra. Ez azért lehet előnyös a tökéletesen kevert reaktormodellel szemben, mert itt nem feltétel a reakciók megadása. Tehát a reakció bevitelét későbbiekben is megtehetjük, miután a rendszer már működik. A tartály alakja (lapos vagy lekerekített szélű, gömb alakú) és elhelyezkedése (vízszintes, függőleges) mellett a méretét is meg kell adni. Ezt vagy egyszerűen a térfogattal vagy az átmérő és hossz együttes értékével lehet definiálni. Az első három típus esetében energiaáramot is lehet csatlakoztatni. A negyedik típus csak dinamikus módban érhető el. Ez a modell egy csőköteges gőzfejlesztőt ír le, de a megfelelő paraméterkombinációval tökéletesen kevert köpenyes reaktorként is viselkedhet.

30

Gyakorlati rész

3.1.5. Szivattyú: (Pump)

A szivattyúmodell dinamikus definiálásához a be- és kilépő anyagáramok és egy energiaáram csatlakoztatása szükséges, valamint a dinamikus paraméterek közül kettőt kell megadni. Ezek a hatásfok, a be- és kilépő áramok nyomáskülönbsége, a szivattyú teljesítménye és a szállítómagasság. Bevihetőek egyedi karakterisztikus görbék (adott fordulatszámhoz) is specifikációként. 3.1.6. Kompresszor (Compressor)

A kompresszor definiálása is hasonló módon történik, mint a szivattyúé. Ennél a modellnél is adhatunk meg karakterisztikus görbéket. 3.1.7. Hőcserélő: (Heat Exchanger/Heater/Cooler/LNG Exchanger/Air Cooler)

Egy

technológiai

anyagáramot

fűthetünk,

illetve

hűthetünk

energiaáramokkal (heater, cooler) vagy egy másik anyagárammal (heat exchanger, LNG Exchanger). A Cooler és a Heater esetében kevés paraméter áll a rendelkezésünkre. A Heat Exchanger modellnél TEMA besorolás szerint a hőcserélő bármilyen lehet. Itt lehetőség nyílik UA érték megadására is. Az LNG Exchanger hőcserélő hálózatok létrehozására szolgál, definiálása hasonló a Heat Exchanger-éhez.

31

Gyakorlati rész

Az Air Cooler modell léghűtők számítására szolgál. Beállítható a léghűtő blokkok száma, a ventilátorok mennyisége és tulajdonságai. A hőcserélők nyomásviszonyait vagy a nyomásesés értékével vagy a ’k’ vezetési értékkel lehet meghatározni csőoldalon és köpenyoldalon egyaránt. A hőátadást az UA érték specifikációjával lehet definiálni. 3.1.8. Virtuális keverő és áramosztó (Mixer/ Splitter)

Anyagáramok egyesítésére és szétosztására szolgálnak. A nem rendelkeznek szabadsági fokkal, ezért nem kell őket definiálnunk. 3.1.9. Csőszakasz (Pipe)

Csőszakaszok modellezésére szolgáló modul. Különböző szegmensekből építhetjük föl a csőszakaszt, számos beépített szegmens típussal rendelkezik. Megadhatóak az adott szegmens méretei, falának érdessége és anyagi minősége. Az adatokból számolja a csőszakasz nyomásesését, szükség esetén a hőveszteséget illetve dinamikus esetben engedélyezhető a hold up számítása is. 3.1.10. A „Spreadsheet” modul

Ebben a modulban számításokat lehet végezni hasonló felületen, mint az Excel. A szimulátor összes változóját be lehet illeszteni, írni viszont csak a felhasználó által definiáltakat lehet. Számítási műveleteket hajthatunk végre az egyes változókon, illetve használhatunk beépített függvényeket is. Sokszor nyújthat segítséget különböző változók összekapcsolásában.

32

Gyakorlati rész

Minden technológiai egység esetében fontos a készülék talajtól való távolsága és a kapcsolódó anyagáramok kapcsolódási helyének megadása. Ezt a beállítást a „Rating/Nozzles” helyen lehet megtenni (minden modulban található ilyen).

3.2. A szimulátor felépítése A fejezetben kerülnek bemutatásra az UniSim programban létrehozott szimulátor részei, illetve a modellekben beállított paraméterek. A TDK munkám során már elkészítettem a monofluidos köpeny hűtés-fűtés modelljét Simulink program segítségével [18]. A diplomamunka gyakorlati része során bemutatom, hogy egy az iparban használt szimulációs programmal hogyan lehet felépíteni a szakaszos gyártócella szimulátorát, amely már a reaktort is tartalmazza. A szimulátor elkészítésekor először basis environment-ben kellett beállítanom az alapvető adatokat. Tulajdonságbecsléshez a Peng-Robinson módszert választottam, mert ezzel jól lehet becsülni a fázisváltozáshoz szükséges tulajdonságokat, amikre a hűtőgépnél volt szükség. A felvett komponensek: 

Víz



Nitrogén



Oxigén



Etilén glikol



R404A (hipotetikus komponensként)

Propilén glikolt azért nem vettem föl a komponensek köze, mert az etilén glikol (cp = 2,38 kJ/kgK) és a propilén glikol (cp = 2,48 kJ/kgK) hőkapacitása csak kis mértékben tér el egymástól, ezért a számítás gyorsítása érdekében elhanyagolhattam.

Ehhez

az

is

hozzájárult,

hogy

a

propilén

glikol

tulajdonságainak becslése nem lett volna pontos a Peng-Robinson módszerrel, amire az UniSim program figyelmeztetett. Ez a probléma adódott akkor is, mikor a hűtőgép hűtőfolyadékát szerettem volna hozzáadni. Összetétele ismert (R134A, R125, R143A keveréke), de az R125-ös hűtőfolyadék esetén sem javasolta az UniSim™ Design a Peng-Robinson

33

Gyakorlati rész

módszer alkalmazását. Egyéb becslő módszereket is kipróbáltam, de többnél ütköztem hasonló akadályba, vagy a módszer rosszul becsülte a fázisváltozást, ezért a rendelkezésre álló nagy mennyiségű termodinamikai adat miatt a hűtőfolyadékot hipotetikusként definiáltam. Ennek a leírása a hűtőgépet bemutató fejezetben található. 3.2.1. A monofluid egység Ez az egység a valós rendszer esetében öt részre osztható. A három különböző hőmérsékletet biztosító tartályra és a hozzá tartozó berendezésekre, illetve a ki- és belépő gömbcsapokra, amelyek két blokkban helyezkednek el. A szimulátorban ennél több részre kellett bontanom a monofluidos egységet, mert a tartályok túlfolyóit a valósághoz képest csak összetett módszerrel tudtam modellezni. A szimulátor elkészítése során számos tervezési adatot és műszaki paramétert felhasználtam, de emellett sok paramétert becsülnöm kellett, mivel az irodalmi értékek eltérhetnek a valós rendszertől. A tartályokban alkalmazott hőközlő közeg két komponensből áll. A feltöltés során 64 V/V% víz és 36 V/V% hűtőfolyadék (etilén glikol és propilén glikol keveréke) arányú közeg lett bemérve a tartályokba. A paraméterek meghatározásánál bizonytalanságot okozott, hogy a köpenybe belépő és a tartályba visszacirkuláló közeg térfogatáramát nem ismertem.

34

Gyakorlati rész

A meleg közeg előállítására alkalmas részegység Ebben a körben kerül előállításra a meleg hőmérsékletű közeg, amely akár 130 °C is lehet. A fűtést két elektromos fűtőpatron biztosítja, amelyek egyenként 4,5 kW teljesítmény leadására alkalmasak. A szimulátor ezen egységét a 9. ábrán láthatjuk, amin megtalálható az összes felhasznált modell. A tartályból az S1-1 áramon lép ki a folyadék, majd a P-101-es melegköri szivattyún keresztül a két párhuzamosan elhelyezkedő fűtőpatronba jut. Utánuk található az áramosztási pont, ahol a folyadékáram két részre oszlik, nyitott gömbcsapok esetén az egyik fele a reaktor köpenyének recirkulációs körébe jut, a másik visszacirkulál a tartályba. Ez körülbelül 800 kg/h-t jelent a köpeny, és 500 kg/h-t a tartály felé. A tartály feltöltése a Felt-1 árammal lehetséges, és a gázhalmazállapotú termék nyitott szelep (VLV-102) esetén az S1-9 áramon távozik. Az S1-8 áram jelenti a túlfolyó felé, az S21-3 a túlfolyó felől történő áramlást. Az S01-3 áram jelenti a reaktorköpenyből a tartályba visszaérkező folyadékáramot. A tartály hőmérsékletszabályozását két heater modellel és 1-1 on/off kapcsolóval oldottam meg. Az on/off kapcsolókkal nem lehet közvetlenül ki- és bekapcsolni a fűtőpatronok hőáramát, ezért ezt egy spreadsheet-en keresztül oldottam meg. A P-101-es szivattyú definiálása jelleggörbével történt, amit a valós (Grundfos CRI 1-3) alapján adtam meg. A jelleggörbe a mellékletben (M-2. ábra) látható.

35

Gyakorlati rész

9. ábra: A meleg közeget előállító részegység az UniSim™ Design programban A különböző egységekben beállított paraméterek a 3. táblázatban találhatóak. A paraméterek a valós rendszerből származnak, kivéve a hőátadással kapcsolatosak, amelyek mérési eredmények alapján becsültem. A következő paraméterek térnek el a valósaktól: 

Fűtőpatronok teljesítménye 4 kW, ami egy felfűtési vizsgálattal adódott (M-4. ábra).



A VLV-103 ellenállása eltér a valósétól, mert a többi ellenállást is tartalmazza a csőszakaszban.



Háromfázisú szeparátormodellt használtam a tartály esetében, mert ennek két folyadékelvétele van.

36

Gyakorlati rész

V-1 0,1 m3 Vertical Flat Cylinder 0,45 m 1,5 m

Térfogat (Volume) Tartály típusa (Orientation) Tartály átmérője Az alaptól mért távolság Csonkok helyzete a tartály magasságához képest (Nozzles)

S01-3 S21-3 Felt-1_1 S1-7 S1-9 S1-8 S1-1 S21-3 S1-8

Csonkok mérete (Nozzles)

100 % 87 0 100 100 87 0 0,027 0,027

% % % % % % m m

E-101 0,003 m3

Térfogat (Volume)

kg h

1

Ellenállási tényező (Overall k)

1,8

Hőáram (Duty)

4,5 kW

kPakg m3

E-102 0,003 m3

Térfogat (Volume)

kg h

1

Ellenállási tényező (Overall k)

1,8

Hőáram (Duty)

4,5 kW

kPakg m3

VLV-103 Szelepállás (Valve opening) Szelep átengedés (Conductance)

27,3 % 8 USGPM DIG-101

Felső határ (Higher Dead Band) Alsó határ (Lower Dead Band)

0 °C 0,5 °C DIG-102


0 °C 0,5 °C

3. táblázat: A magas hőmérsékletű kör paraméterei

37

Gyakorlati rész

A közepes hőmérsékletű közeg előállítására alkalmas részegység Ebben a körben kerül előállításra a közepes hőmérsékletű közeg, amely általában 15-20 °C lehet. A hűtés egy lemezes hőcserélőn keresztül hálózati vízzel történik. A szimulátor ezen egységét a 10. ábrán láthatjuk, amin megtalálható az összes felhasznált modell. A tartályból az S2-1 áramon lép ki a folyadék, majd a P-201-es szivattyún keresztül a lemezes hőcserélőbe jut. Utána található az áramosztási pont, ahol a folyadékáram a meleg körnél leírtakhoz hasonlóan két részre oszlik. A tartály feltöltése a Felt-2 árammal lehetséges, és a gázhalmazállapotú termék nyitott szelep (VLV-202) esetén az S2-6 áramon távozik. Az S2-7 áram jelenti a túlfolyó felé, az S12-3 és az S32-3 a túlfolyó felől történő áramlást. Az S02-3 áram jelenti a reaktorköpenyből a tartályba visszaérkező folyadékáramot. A tartály hőmérsékletszabályozását egy heat exchanger modellel és egy on/off kapcsolóval oldottam meg. Az on/off kapcsoló a hálózati víz belépő ágán lévő csapot kapcsolja közvetlenül ki és be. A P-201-es szivattyú definiálása jelleggörbével történt, amit a valós (Grundfos CR 1-3) alapján adtam meg. A jelleggörbe a mellékletben (M-1. ábra) látható.

38

Gyakorlati rész

10. ábra: A közepes hőmérsékletű közeget előállító részegység az UniSim™ Design programban A hűtővíz mennyiségét a valós rendszeren történő mérés alapján 1700 kg/hra, hőmérsékletét 12 °C-ra állítottam. A különböző egységekben beállított paraméterek a 4. táblázatban találhatóak. A paraméterek a valós rendszerből származnak, kivéve a hőátadással kapcsolatosak, amelyek mérési eredmények alapján becsültem. A VLV-203 ellenállása eltér a valósétól, mert a többi ellenállást is tartalmazza a csőszakaszban. Háromfázisú szeparátormodellt használtam a tartály esetében, mert ennek két folyadékelvétele van. A lemezes hőcserélő hőátadási tényezőjét egy hűtési vizsgálattal állítottam be, amelynek mérési diagramja a mellékletben található (M-5. ábra).

39

Gyakorlati rész

V-2 0,1 m3 Vertical Flat Cylinder 0,45 m 1,5 m

Térfogat (Volume) Tartály típusa (Orientation) Tartály átmérője Az alaptól mért távolság Csonkok helyzete a tartály magasságához képest (Nozzles)

S02-3 S12-3 S32-3 Felt-2_1 S2-5 S2-6 S2-7 S2-1 S12-3 S32-3 S2-7


Hőveszteség (Heat Loss Overall U)

100 % 87 87 0 100 100 87 0 0,027 0,027 0,027 500

% % % % % % % m m m kJ/hm2°C

E-201 Hőcserélő típusa Csőoldali térfogat (Tube volume) Köpenyoldali térfogat (Shell volume)

2:1 átfutású 0,00028 m3 0,00028 m3

Csőoldali ellenállás

3,3

kg h

Köpenyoldali ellenállás

85

kg h

Csőoldali referencia áram Köpenyoldali referencia áram

1 kPakg m3 1 kPakg m3

1200 kg/h 1700 kg/h VLV-203

Szelepállás (Valve opening) Szelep átengedés (Conductance)

24 % 8 USGPM DIG-201


0 °C 0,5 °C

4. táblázat: A közepes hőmérsékletű kör paraméterei

40

Gyakorlati rész

A hideg közeg előállítására alkalmas részegység Ebben a körben kerül előállításra az alacsony hőmérsékletű közeg, amely akár -10 °C is lehet. A hűtés egy lemezes hőcserélőn keresztül egy nagyteljesítményű hűtőgéppel történik. A szimulátor ezen egységét a 11. ábrán láthatjuk, amin megtalálható az összes felhasznált modell. A tartályból az S3-1 áramon lép ki a folyadék, majd a P-301-es szivattyún keresztül a hűtőgép lemezes hőcserélőjébe jut. Utána található az áramosztási pont, ahol a folyadékáram a meleg körnél leírtakhoz hasonlóan két részre oszlik. A tartály feltöltése a Felt-3 árammal lehetséges, és a gázhalmazállapotú termék nyitott szelep (VLV-303) esetén az S3-6 áramon távozik. Az S3-7 áram jelenti a túlfolyó felé, az S23-3 a túlfolyó felől történő áramlást. Az S03-3 áram jelenti a reaktorköpenyből a tartályba visszaérkező folyadékáramot. A tartály hőmérsékletszabályozását egy heater exchanger modellel és egy on/off kapcsolóval oldottam meg. Az on/off kapcsoló a hálózati víz belépő ágán lévő csapot kapcsolja közvetlenül ki és be. A P-301-es szivattyú definiálása jelleggörbével történt, amit a valós (Grundfos CR 1-3) alapján adtam meg. A jelleggörbe a mellékletben (M-1. ábra) látható. A különböző egységekben beállított paraméterek az. 5. táblázatban találhatóak. A paraméterek a valós rendszerből származnak, kivéve a hőátadással kapcsolatosak, amelyek mérési eredmények alapján becsültem. Háromfázisú szeparátormodellt használtam a tartály esetében, mert ennek két folyadékelvétele van. A VLV-302 ellenállása eltér a valósétól, mert a többi ellenállást is tartalmazza a csőszakaszban.

41

Gyakorlati rész

11. ábra: A hideg közeget előállító részegység az UniSim™ Design programban

42

Gyakorlati rész

V-3 3

Térfogat (Volume) Tartály típusa (Orientation)

0,1 m Vertical Flat Cylinder 0,45 m 1,5 m

Tartály átmérője Az alaptól mért távolság Csonkok helyzete a tartály magasságához képest (Nozzles)

S03-3 S23-3 Felt-3_1 S3-5 S3-6 S3-7 S3-1 S23-3 S3-7


100 % 87 0 100 100 87 0 0,027 0,027

% % % % % % m m

E-301 0,001 m3

Térfogat (Volume) Ellenállási tényező (Overall k)

3,2

kg h

1 kPakg m3


24 % 8 USGPM DIG-301


0,5 °C 0,5 °C

5. táblázat: Az alacsony hőmérsékletű kör paraméterei A túlfolyók A túlfolyók létrehozására olyan módszert kellett alkalmaznom, ahol a modell figyelembe veszi a csőben lévő folyadékszint magasságát, és az átfolyást a hidrosztatikai nyomás határozza meg. Ezért egy horizontális háromfázisú szeparátormodellt alkalmaztam. Nincs gáz-, csak két folyadékelvétele, amelyek a két összekötött tartályban végződnek. A túlfolyókhoz tartozó szelepek is ugyanabban a magasságban vannak a szimulátorban, mint a túlfolyót számoló szeparátor.

43

Gyakorlati rész

A 12. ábrán látható az 1-es és 2-es, a 13. ábrán pedig a 2-es és 3-as tartályokat összekötő túlfolyók. A túlfolyó méretei a 6. táblázatban találhatóak.

12. ábra: Az 1-es és 2-es tartályt összekötő túlfolyó

13. ábra: A 2-es és 3-as tartályt összekötő túlfolyó 1-2 tulfolyo, 2-3 tulfolyo Tartály típusa (Orientation) Tartály átmérője Tartály hossza Az alaptól mért távolság Csonkok helyzete a tartály magasságához képest (Nozzles) Csonkok mérete (Nozzles)

Horizontal 0,027 m 0,5 m 2,047 m mindegyik

0 %

mindegyik

0,027 m

6. táblázat: A két túlfolyó adatai

44

Gyakorlati rész

A hűtőgép A hűtőgép dinamikus modelljének elkészítése különösen nehéz feladatnak bizonyult az UniSim™ Design programmal, folyamatábrája a 14. ábrán látható. Korábban kevesen készítettek dinamikus hűtőgép modellt, főleg csak stacioner módban hozták létre. A problémát az okozta, hogy az elpárologtató hőcserélőt nem tudja az UniSim megfelelően leképezni, mivel a fázisváltozás instabilitást okoz a hőcserélőben. Ezért a hőcserélőt két részre bontottam, egy cooler-re, amely a hőátadást biztosítja a hideg körben, és egy szeparátorra, amelyben a fázisváltozás megy végbe. Az átszármaztatott hőt a heat exchanger modell egyenleteivel spreadsheet-ben számoltam. Az egyenletek a következők: Q  UATLM Ft , ahol: U = Átlagos hőátadási tényező A = Hőátadási felület TLM = Logaritmikus hőmérsékletkülönbség FT = LMTD korrekciós faktor FT   M cs f1   M  cs ,ref

   

0 ,8

2 f1 f 2 f1  f 2  Mk f2   M  k ,ref

   

0 ,8

,

ahol: Mcs = Csőoldali tömegáram Mcs,ref = Csőoldali referencia tömegáram Mk = Köpenyoldali tömegáram Mk,ref = Köpenyoldali referencia tömegáram A hűtőkörben keringő hűtőfolyadék az R404A, amelyet a 3.2. fejezet elején említett okok miatt hipotetikusként vittem be. Az R404A hűtőfolyadék összetétele a következő [12]: R125

CHF2CF3

44

m/m%

R143A

CH3CF3

52

m/m%

R134A

CH2FCF3

4

m/m%

Az R404A hűtőfolyadék alapvető adatait a 7. táblázat tartalmazza.

45

Gyakorlati rész

Normál forráspont

-46,43 °C

Molekulatömeg

97,6 g/mol

Folyadéksűrűség

1071,1 kg/m3

Kritikus hőmérséklet

72,07 °C

Kritikus nyomás

3731,5 kPa

Kritikus térfogat

0,2522 m3/kmol

7. táblázat: Az R404A hűtőfolyadék alapadatai A hőmérsékletfüggő adatait csak úgy lehet bevinni az UniSim™ Designba, ha az adatokra a megfelelő polinomot illesztünk, és a paramétereit írjuk be. A mellékletben szereplő M-4-M-6. táblázatok alapján a következő tulajdonságokat leíró

polinom

paramétereket

identifikáltam:

gőznyomás

(8.

táblázat),

folyadéksűrűség (9. táblázat), gőz entalpia (10. táblázat), gőz entrópia (11. táblázat). Gőznyomás: p  a 

b  d  ln T  e  T T c

f

Gőznyomás a

-1187,4

b

14,49

c

-3,35E-02

d

-1,13E-04

e

-8,66E-16

f

1,74E-09

8. táblázat: A gőznyomás hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei Folyadéksűrűség:   a  bT  cT 2  dT 3  eT 4 Folyadéksűrűség a

-4949,9

b

113,99

c

-0,7385

d

2,07E-03

e

-2,17E-06

9. táblázat: A folyadéksűrűség hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei

46

Gyakorlati rész

Gőz entalpia: h  a  bT  cT 2  dT 3  eT 4  fT 5 Gőz entalpia a

-228,67

b

8,2698

c

-5,12E-02

d

1,51E-04

e

-1,62E-07

f

-1,22E-11

10. táblázat: A gőz entalpia hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei Gőz entrópia: s  b ln T  2  cT 

3 2 4 3 5 4 dT  eT  fT  g 2 3 4

Gőz entrópia b

-0,9339

c

-4,96E-03

d

2,51E-05

e

4,17E-09

f

-8,59E-11

g

7,2407

11. táblázat: A gőz entrópia hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei További tulajdonságok hőmérsékletfüggését leíró polinom paramétereket tudtam megadni, amit a hűtőfolyadék leírásában szolgáltattak. Ezek a tulajdonságok a következők voltak: folyadék és gőz viszkozitás (12. táblázat), folyadék és gőz hővezetés (13. táblázat).

47

Gyakorlati rész

2 3 Viszkozitás:   a  bT  cT  dT

Viszkozitás Folyadék

Gőz

a

180,7

11,22

b

-2,460

3,84E-02

c

2,02E-02

0

d

-1,38E-04

0

12. táblázat: A viszkozitás hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei 2 3 Hővezetés: k  a  bT  cT  dT

Hővezetés Folyadék

Gőz

a

76,7

11,86

b

-0,333

6,36E-02

c

1,38E-04

0

d

-1,06E-05

0

13. táblázat: A hővezetés hőmérsékletváltozását leíró polinom paraméterei A hűtőgép beállítása a különböző pontjain mért hőmérsékletek és a rendelkezésre álló nyomásértékek (14-20 bar között üzemel) alapján történt úgy, hogy a teljesítménye 10 kW körüli legyen. A kompresszor névleges teljesítménye 5,5 kW, aminél kisebb teljesítményt alkalmaztam, az előbb említett feltételek teljesítése érdekében. A többi paraméter beállítása becsléssel történt, amelyek a 14. táblázatban találhatóak.

48

Gyakorlati rész

Elparologtato 0,003 m3

Térfogat Compressor Teljesítmény Politróp hatásfok

2,8 kW 75 % Condenser

Belépő levegő hőmérséklete Levegő térfogatárama Hőátadási tényező (UA)

15 °C 700 m3/h 50000 kJ/h°C


17,5 % 0,5 USGPM

Hűtőgép (Spreadsheet) Hőátadási tényező (UA)

3000 kJ/h°C

14. táblázat: A hűtőgépben beállított paraméterek

14. ábra: A hűtőgép modellje A hűtőgép utolsó ellenőrzésekor a hipotetikus hűtőfolyadék adataiban hibát találtam, aminek az oka a következő volt. Az UniSim™ Design programban a hipotetikus komponens definiálása során számos tulajdonság megadható, viszont nem rendelkeztem az R404A hűtőfolyadék minden adatával, ezért használtam a program azon funkcióját, mellyel a nem definiált tulajdonságokat megbecsüli. Amit csak az utolsó ellenőrzéskor vettem észre, hogy ekkor olyan adatokat is felülír, amiket a felhasználó definiál, tehát a szimulátor nem teljesen az általam megadott adatokkal számol. Abban az esetben, ha nem számoltatom ki a hiányzó tulajdonságokat, mentés és visszatöltés után a megoldó nem képes számolni, és a szimulátor működésképtelenné válik.

49

Gyakorlati rész

Végül a hűtőgép becsült adatokkal készült el, amely paramétereit tekintve (hőmérséklet, nyomás, teljesítmény) a valóséhoz hasonlóan működik. 3.2.2. A reaktorkör Ebben a fejezetben kétféle reaktorkialakítást fogok bemutatni, és ismertetem azok előnyeit és hátrányait is. A benyúló csőköteges reaktor kialakítás A reaktorkör fő része a valós rendszer esetében egy 50 literes névleges térfogatú keverős reaktor. A közelítésére a szimulátorban egy csőköteges szeparátort választottam. A reaktor oldalt modellezi a szeparátor, a köpeny oldalt pedig a benyúló csőköteg. A szeparátor lehetőséget ad reakció megadására is, de ez nem feltétel, tehát a tökéletesen kevert reaktorral szemben ezzel a modellel végezhetőek hőtani vizsgálatok reakció megadása nélkül is. A benyúló csőköteg azért közelíti jól a reaktor köpenyét, mert a modell nem tartalmaz olyan paramétert, ami a egyértelműen definiálná a hőátadó szerkezet alakját. Tehát ezzel a modellel köpeny is definiálható. A megadható paraméterek a következőek: 

Térfogat



Hőátadási tényező a fal mindkét oldalára, folyadékra és gőzre egyaránt



Hőátadási felület



A hőátadó felület magassága



A fal tömege



A fal fajhője



A fal anyagára jellemző faktor A köpeny recirkulációs körét alkotó csőszakaszok is bekerültek a

szimulátorba, mivel térfogatuk összemérhető a köpeny térfogatával. A csőszakaszok méretei a mellékletben találhatóak (M-2. táblázat és M-3. táblázat). A pipe modellt használtam fel közelítésükre, amelybe a valós rendszernek megfelelő méretű szegmenseket raktam be. A szimulátor reaktorköréhez előrecsatolást is adtam, hogy az esetlegesen felmerülő keveredési problémákat is modellezni lehessen.

50

Gyakorlati rész

CSTR 0,078 m3 Vertical Flat Cylinder Tube Bundle 0,45 m

Térfogat (Volume) Tartály típusa (Orientation)

Tartály átmérője Csonkok helyzete a tartály magasságához képest (Nozzles)

S0-10 S0-11

Hőveszteség (Heat Loss Overall U) A köpeny tulajdonságai Térfogat (Tube volume) A reaktor oldali hőátadási tényező folyadékra A reaktor oldali hőátadási tényező gőzre A köpeny oldali hőátadási tényező folyadékra A köpeny oldali hőátadási tényező gőzre Hőátadási felület A köpeny teteje A köpeny alja Ellenállási tényező (Tube k)

5 % 80 % 120 kJ/hm2°C 0,024 1400 225 1400 225 0,71 0,45 0 18

Köpenyfal tömege (Tube wall mass) Köpenyfal hőkapacitása (Tube wall Cp)

m3 kJ/hm2°C kJ/hm2°C kJ/hm2°C kJ/hm2°C m2 m m kg h

1 kPakg m3

56 kg 0,48 kJ/kgK

A csőszakaszok Hőveszteségi tényező (Heat loss UA)

100 kJ/h°C


55 % 25 USGPM

15. táblázat: A benyúló csőköteges reaktor kialakítás legfontosabb paraméterei A főköri szivattyút (Grundfos CR 3-4) a jelleggörbéjével definiáltam, ami a mellékletben megtalálható (M-3. ábra). A VLV-002-as fojtószelepet az ellenállások összegzésére használtam. A VLV-003-as szelep a valóságban nem létezik, csak a recirkulált anyag mennyiségét szabályoztam vele, különálló reaktor és monofluid rész esetén. A 15. táblázatba találhatóak a reaktorkör legfontosabb paraméterei, és a reaktorkör a szimulátorban a 15. ábrán látható.

51

Gyakorlati rész

15. ábra: A reaktorkör a benyúló csőköteges kialakítás esetén

52

Gyakorlati rész

A második típusú reaktor kialakítás Ebben a reaktorkialakításban a köpenyes szakaszos reaktor két részből épül fel. A köpeny és reaktorrész külön lett bontva, a köpeny egy 1:1 átfutású heat exchanger modellel, a reaktor egy tank modellel közelítettem. A köztük lévő kapcsolatot, azaz az átszármaztatott hőt spreadsheet-ben számoltam. Az átadott hőt a dinamikus heat exchanger modelljével számoltam, ami megegyezik a hűtőgép esetén alkalmazottal. A hőcserélő csőoldalán a térfogatott minimálisnak választottam, és az áramlási sebességet nagy értékre állítottam. Így nem alakult ki nagy hőmérséklet gradiens a hőcserélő csőoldalán, mivel a keverő működtetésével a reaktorban sem alakulna ki. A belépő közeg hőmérsékletét minden pillanatban a reaktor hőmérsékletével tettem egyenlővé. Ennél célravezetőbb megoldás lett volna, ha a hőcserélő falhőmérsékletét igazítottam volna a reaktor falhőmérsékletéhez, de az UniSim™ Design programban csak a felhasználó által megadható adatokat lehet spreadsheet-en keresztül felülírni, számoltakat nem. [17] Ez a reaktor kialakítás a 16. ábrán látható, és paraméteri a 16. táblázatban találhatóak meg. A paraméterek meghatározása a valós mérésekhez történő illesztéssel történt.

53

Gyakorlati rész

CSTR Térfogat (Volume) Tartály típusa (Orientation)

0,05 m3 Vertical Flat Cylinder Tube Bundle 0,4 m

Tartály átmérője Hőveszteség (Heat Loss Overall 70 kJ/hm2°C U) A köpeny tulajdonságai Térfogat (Tube volume) 0,012 m3 Hőátadási tényező (Overalll UA) 480 kJ/hm2°C Ellenállási tényező (Shell side k) A csőszakaszok Hőveszteségi tényező (Heat loss UA) VLV-002 Szelepállás (Valve opening) Szelep átengedés (Conductance)

18

kg h

1 kPakg m3

100 kJ/h°C

55 % 25 USGPM

16. táblázat: A második típusú reaktor kialakítás legfontosabb paraméterei

54

Gyakorlati rész

16. ábra: A reaktorkör a második típusú kialakítás esetén

55

Gyakorlati rész

3.2.3. A teljes rendszer A teljes rendszer felépítését az UniSim™ Design program a 17. ábrán láthatjuk. A különböző egységek alfolyamatábrán („Subflowsheet”) helyezkednek el. A gömbcsapok két blokkban találhatóak, a visszatérő illetve a köpenybe belépő oldaliak. A belépő oldalon a valóságnak megfelelően a gömbcsapoknak kis ellenállást választottam, viszont a visszatérő oldalon a nyomásviszonyok megfelelő beállítása miatt a valóságtól eltérő, nagyobb ellenállásokat állítottam be, így ezek már tartalmazzák a gömbcsaptól a tartályig vezető csőszakaszok ellenállását. Az ellenállások nagysága a visszatérő oldalon a 17. táblázatba látható. Szelep neve

Ellenállás mértéke

VLV-110

15

USGPM

VLV-210

8

USGPM

VLV-310

6

USGPM

17. táblázat: A visszatérő oldali gömbcsapok ellenállásai A VLV-112, VLV-212 és a VLV-312 szelepek arra szolgálnak, hogyha olyan szimulációt végzek, amelyeknél mérési adatokhoz hasonlítom az eredményt, akkor a kezdeti állapot könnyebb beállítása érdekében a reaktor részt és a monofluid részt kettéválasztom, és ekkor ezek biztosítják a reaktorköpenybe be- és kilépő folyadék egyenlőségét. A VLV-001 szabályozószelep esetén nem ismert a pontos karakterisztikája, térfogatmérés hiányában a rendszeren nem tudtam lemérni, ezért csak becsülni tudtam. A szelep típusa egyenszázalékos, ’k’ ellenállási tényezőjét 7,9-nek választottam.

56

Gyakorlati rész

17. ábra: A szimulátor az UniSim™ Design-ban

57

Szimulációs vizsgálatok eredményei

4. Szimulációs vizsgálatok eredményei A szimulátor paramétereinek beállításához két valós rendszeren történt mérést alkalmaztam. Mindkét mérést szabályozás nélkül, teljesen nyitott szelepállás mellett végeztük. A paraméterek illesztését mindkét reaktor kialakítás esetén elvégeztem. Mindkét modellnek voltak előnyei és hátrányai is. A következőekben e két reaktor kialakítást fogom bemutatni.

4.1. A mérések körülményei A paraméterek meghatározásához két valós rendszeren végzett mérést használtam föl. Az első méréssel a meleg és a közepes tartály, valamint a reaktorkör paramétereit állítottam be. A második méréssel a hideg kört állítottam, illetve ellenőriztem a reaktor megfelelő viselkedését. Mindkét mérés kezdetén a tartályok szintjei körülbelül 60 % volt. A reaktor 25 liter vízzel volt töltve, és a keverő működött. A diagramokban felhasznált jelölések a következők: 

T1 – A reaktor hőmérséklete



T2 – A reaktor recirkuláció körének belépő oldali hőmérséklete



T3 – A reaktor recirkuláció körének kilépő oldali hőmérséklete



TMT – A magas hőmérsékletű tartály hőmérséklete



TKT – A közepes hőmérsékletű tartály hőmérséklete



THT – Az alacsony hőmérsékletű tartály hőmérséklete Az első mérésnél a reaktorhőmérséklet esetében 92 percnél található törést

az okozza, hogy a mérésnél leállt a keverő.

4.2. A paraméterek meghatározásakor tapasztaltak bemutatása Mindkét modell paramétereinek meghatározásakor azonos viselkedéseket tapasztaltam, ami megkönnyítette a szabad paraméterek hangolását. A beállításnál fix paraméternek vettem a műszaki tervben meghatározott térfogatáramokat, mivel ezeket a valós rendszeren nem tudjuk mérni. Tehát minden tartálynál nyitott gömbcsapok esetén 400-500 liter cirkulál vissza, és 800900 liter lép be a köpeny recirkulációs körébe.

58


A reaktor recirkulációs körébe minkét kialakítás esetében figyelembe kellett venni a be- és kilépő oldali csőszakaszokat, mert térfogatuk összemérhető a köpenyével. Így a csőszakaszok lemérése után pipe modellekkel egészítettem ki a szimulátort, amiknek az adatai a melléklet M-2 és M-3. táblázatában található. A következő paramétereket változtattam a hangolás során: A meleg tartály hőveszteségi tényezője, a tartály folyadékszintje, a fűtőpatronok egyenkénti teljesítménye, a fűtőpatronok térfogata. A közepese hőmérsékletű tartály esetében a tartály folyadékszintje, a lemezes hőcserélő hőátadási tényezője, és a lemezes hőcserélő térfogata. A hideg tartály esetén csak a tartály folyadékszintje volt a változtatható paraméter. A reaktor esetében a hőveszteséget és a hőátadási tényezőt változtattam. A tartály és a hőcserélők folyadékszintjét két ok miatt változtattam, annak ellenére, hogy a mérés és a műszaki adatokból elvileg adottak voltak az értékeik. A tartályok szintjei mérés közben változtak, ezért nem vehettem fix paraméternek őket, mivel a felhasznált mérési adatok nem a mérések kezdetéről származtak, amikor a tartályok még azonos folyadékszinttel rendelkeztek. A hőcserélők térfogatait azért változtattam, mert ezekben a paraméterekben vettem figyelembe a recirkulációs körben lévő csőszakaszok térfogatait. A két térfogat paraméterrel tudtam befolyásolni, hogy milyen mértékben melegedett fel vagy hűlt le az adott tartály a közegváltásokkor. A fűtőpatronok teljesítményével és a lemezes hőcserélő hőátadási tényezőjével a görbék meredekségét befolyásoltam. A fűtőpatronok teljesítménycsökkenését hőátadási problémákkal lehet magyarázni. A hőveszteségi tényezőkkel mindegyeik esetben a melegedési szakaszok görbületét tudtam befolyásolni. A valós rendszeren történt mérésekből kiderült, hogy a reaktor recirkulációs körének belépő ágán lévő hőmérő esetében a mért jelet egy elsőrendű szűrővel ( = 28 s) kellet szűrni, ahhoz, hogy a szimulátorban is hasonló eredmény kaphassunk.

59


4.3. A benyúló csőköteges szeparátor modellen alapuló reaktorkialakítás Ennek a modellnek a legfontosabb előnye, hogy közvetlenül beköthetőek a modellbe az anyagáramok, minden számítás megoldható az UniSim modelljeivel, nincs szükség megkerülő módszerekre. Viszont a paraméterek meghatározásakor problémákba ütköztem, amiket a másik reaktormodell esetében nem tapasztaltam. A modell alkalmazásakor a teljes rendszer viselkedése megváltozott, a másik modellen beállított paramétereket nem tudtam használni, új identifikálást kellett végeznem. Az így kapott paraméterek jobban eltértek a valós rendszertől, mint vártam. Például a meleg tartály folyadékszintjét 45 %-ra kellett csökkentenem ahhoz, hogy váltáskor megfelelően visszaessen a hőmérséklete, illetve a fűtőpatronok teljesítményét is jobban kellett csökkentem a kívánt meredekség elérése érdekében. A 18. táblázat tartalmazza a benyúló csőköteges reaktor kialakítás esetén módosított paramétereket és azok végleges értékeit. Ezekkel a paraméterekkel végzett szimuláció eredményei a 18. és a 19. ábrán láthatóak.

60


V-1 Hőveszteség Fűtőpatronok teljesítménye Fűtőpatronok egyenkénti térfogata A tartály töltöttségi szintje V-2 A lemezes hőcserélő hőátadási tényezője (UA) A lemezes hőcserélő térfogata A tartály töltöttségi szintje

100 3,7 0,003 45

kJ/hm2°C kW m3 %

1500 kJ/h°C 0,00028 m3 55 %

V-3 A tartály töltöttségi szintje Hőveszteség

55 % 100 kJ/hm2°C CSTR

Hőveszteség Hőátadási tényező (UA)

120 kJ/hm2°C 1400 kJ/h°C

18. táblázat: A benyúló csőköteges reaktor kialakítás estén állított paraméterek Az első mérésnél a szimulátor jól közelíti a felmelegítési szakaszban a reaktor hőmérsékletét, viszont hűtésnél nagy hibával követi csak. A meleg tartály hőmérséklete is nehezen illeszthető a valós rendszer mérési eredményére. A második mérésnél a reaktor hőmérséklete viszonylag jól illeszkedik, csak a kiindulási állapotok kismértékű eltérése okoz különbséget. Az alacsony hőmérsékletű tartály eltérő viselkedés arra vezethető vissza, hogy a szimulátorban a hűtőgép indítása nagyon gyors folyamat, mivel a kompresszor nem kerül leállításra.

61


Mérési T1 Szimuláció T1



Mérési TMT Szimuláció TMT

Mérési TKT Szimuláció TKT

85 80 75

Hőmérséklet (°C)

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 0

20

40

60

80

100

120

Idő (min) 18. ábra: A szimuláció eredménye az első reaktorkialakítás esetén (1. mérés)

62


Mérés T1 Szimuláció T1



Mérés THT Szimuláció THT

25


20

15

10

5

0

-5 0

10

20

30

40

50

60

Idő (min) 19. ábra: A szimuláció eredménye az első reaktorkialakítás esetén (2. mérés)

63


4.4. A második reaktorkialakításon végzett szimuláció Ennél a kialakításnál kevésbé volt szükséges eltérni a fizikai mérés adataitól, a paraméterek hangolása egyszerűbben történt, az eredmény jobban illeszkedik a mérési eredményekre. A szimuláció során a reaktor hőmérsékletére egy elsőrendű szűrőt helyeztem ( = 120 s), amivel az eredmények pontosabbá váltak. Ez annak tulajdonítható, hogy ebben a reaktor kialakításban nem szerepel a falon történő hőátadás modellje, ezért gyorsabban reagál a rendszer. A szűrő alkalmazásával a falat és a hőmérő tokozását is figyelembe tudtam venni. A 19. táblázatban találhatóak ennek a reaktor kialakításnak a végleges paraméterei. Ezekkel a paraméterekkel végzett szimuláció eredményei a 20. és a 21. ábrán láthatóak. V-1 Hőveszteség Fűtőpatronok teljesítménye Fűtőpatronok egyenkénti térfogata A tartály töltöttségi szintje V-2 A lemezes hőcserélő hőátadási tényezője (UA) A lemezes hőcserélő térfogata A tartály töltöttségi szintje

100 4,2 0,003 65

kJ/hm2°C kW m3 %

5500 kJ/h°C 0,005 m3 65 %

V-3 A tartály töltöttségi szintje Hőveszteség

57 % 120 kJ/hm2°C CSTR

Hőveszteség Hőátadási tényező (UA)

70 kJ/hm2°C 480 kJ/h°C

19. táblázat: A második reaktor kialakítás estén állított paraméterek

64





Mérési TMT Szimuláció TMT

Mérési TMT Szimuláció TKT

85 80 75


70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 0

20

40

60

80

100

120

Idő (min) 20. ábra: A szimuláció eredménye a második reaktorkialakítás esetén (1. mérés)

65





Mérési THT Szimuláció THT

25


20

15

10

5

0

-5 0

10

20

30

40

50

60

Idő (min) 21. ábra: A szimuláció eredménye a második reaktorkialakítás esetén (2. mérés)

66


Az első mérés esetén a szimulátor jól közelíti a mérési eredményeket, csak kismértékű

hiba

jelentkezik.

A

szimulációs

eredmények

esetén

a

reaktorhőmérsékletnél a mérés elején jelentkező hibát a kezdetkor berakott szűrő okozza, ami a későbbiekben nem jelentkezik. A második mérés esetében a reaktor hőmérsékletének eltérését az okozza, hogy nyitott gömbcsapok esetén történő áramosztás a tervezési értékre van beállítva, a valóságban viszont kevesebb folyadék jut a köpenybe.

4.5. A két reaktor kialakítás összehasonlítása A két reaktorkialakítás közül az egyszerűbb modellt alkalmazó második kialakítás lett a pontosabb, és fontos megemlíteni, hogy paramétereinek manuális beállítása sokkal egyszerűbb volt, mint a benyúló csőköteges szeparátor esetében. Az első kialakításnál azt is megfigyeltem, hogy a beépített UniSim modell rosszabbul közelíti a valóságot hűtés esetén, mint egy egyszerű hőcserélő modell. A benyúló csőköteges szeparátor előnyei közé tartozik, hogy a szimulátor átláthatóbb annál fogva, hogy a modellbe beköthetőek az anyagáramok, és nem szükséges a háttérben, kevésbé átlátható módon, spreadsheet-en számolni az átszármaztatott hőt. A pontosság és egyszerűbb kezelhetőség miatt a második reaktor kialakítás felhasználása előnyösebb. Viszont a benyúló csőköteges reaktor kialakítás esetén felhasznált

modell

részletesebb

modellezést

tesz

lehetővé.

Részletes

dokumentációja segítségével (ami nem állt rendelkezésünkre) felderíthető a hűtési szakasz során felmerült pontatlansága is. A TDK munkám során elkészítette monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszerrel összehasonlítva a diplomamunkámban készítettel, és megállapíthatom, hogy az UniSim™ Design program felhasználóbarát, a modell összeállítása kevesebb elméleti ismeretet igényel. Viszont a modell alapú összeállítás nagy szabadságot ad, és összetett modellek felhasználásával részletes modell is létrehozható.

67

Összefoglalás A vegyipar számos területén alkalmazott szakaszos technológiák esetében is fontos a szimulátorok létrehozása és fejlesztése, amelyekkel hatékonyabbá tehetők a technológiák. A diplomamunkám során rávilágítottam arra is, hogy egyre fontosabbá válik az iparban a dinamikus szimulátorok felhasználása. A munkám során létrehoztam az UniSim™ Design szimulációs program segítségével a tanszéki laborban lévő szakaszos gyártócella és a hozzá tartozó monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszer szimulátorát, majd paramétereit a valós rendszeren végzett mérésekkel módosítottam. Kétféle reaktorkialakítást is megvizsgáltam, amelyek közül az egyszerűbb bizonyult pontosabbnak. A paraméterek meghatározását a manuális megoldás helyett szélsőérték kereső programmal is végezhettem volna, de az UniSim™ Design és egy erre alkalmas program összekötése összetett programozási feladat, ami túlmutatott a diplomamunkám

elsődleges

céljain.

A

paraméterek

meghatározását

megkönnyítette volna, ha az UniSim™ Design program rendelkezne OPC felülettel, de ehhez az UniSim Operations programcsomagra van szükség. Az OPC-n keresztüli összeköttetés előnye az lenne, hogy a valós rendszer folyamatirányító rendszerét használhatnánk a szimulátor esetében is, és így nem jelentkeznének a szabályozás eltérősége miatt jelentkező különbségek.

Irodalomjegyzék [1]

dr Chován Tibor, Számítógépes folyamatirányítás, 9.a előadás fólia vázlat (2006)

[2]

P. Sawyer: Computer-Controlled Batch Processing, IChemE, (1993).

[3]

D. Brandl, S88.01 - The Standard for Flexible Manufacturing and Batch Control

[4]

John E. Edwards, Dynamic modelling of batch reactors & batch distillation, Batch Reactor Systems Technology Symposium, Teesside, (2001)

[5]

dr. Nagy Lajos: Szakaszos reaktorok szimulációja és irányítása, PHD értekezés, (2005)

[6]

J. Madár, F. Szeifert, L. Nagy, T. Chován, J. Abonyi, Tendency Modelbased Improvement of the Slave Loop in Cascade Temperature Control of Batch Process Units, Computers & Chemical Engineering, Volume 28, Issue 5, (15), 737-744, (2004)

[7]

http://www.aningas.com/ing/monofluido.html

[8]

Z. Louleh, M. Cabassud, M.V. Le Lann, A. Chamayou, G. Casamatta, A new heating-cooling system to improve controllability of batch reactors, Chemical Engineering Science, Vol. 51, (1996)

[9]

Z. Louleh, M. Cabassud, M.V. Le Lann, A new strategy for temperature control of batch reactors: experimental application, Chemical Engineering Journal 75, (1999)

[10] Z. Cheltout, R. Coupier, M. Valleur, Technip France, Capture the long-term benefits of operator training simulators, Hydrocarbon Processing, (2007) [11] Varga Zoltán, Szimulációs módszerek üzemeltetésében, Diplomadolgozat, (2008)

alkalmazása

a

technológia

[12] http://www.refrigerants.dupont.com/Suva/en_US/products/suva404a.html [13] http://www.honeywell.com [14] UniSim™ Design Dynamic Modeling Guide [15] UniSim Operations Guide [16] UniSim Desing User Giude [17] Balaton Miklós Gábor, Nagy Lajos, Szakaszos gyártócella szimulációja, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém (2009) [18] Balaton Miklós Gábor: Monofluidos hűtő-fűtő rendszer irányítása szakaszos gyártócella esetén, XXIX. Országos Tudományos Diákköri Konferencia, 2009

Mellékeltek Berendezés

Típus

Főköri szivattyú

Grundfos CR 3-4

Forró köri szivattyú

Grundfos CRI 1-3

Közepes és hideg köri szivattyú

Grundfos CR 1-3

Lemezes hőcserélő

APV U121-M-16

Szabályozószelep

DN 25, PN 40

Gömbcsapok

DN 20, PN 40

Áramlásbeállító fojtó szelep

DN 25, PN 40

Tartályok

Maxivarem LS US 100 361

M-1. táblázat: A fontosabb berendezések típusai Grundfos CR 1-3 20

50

18

45

16

40

14

35

12

30

10

25

8

20

6

15

4

10

2

5

0

0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Q (m3/h)

M-1. ábra: A közepes- és hidegköri szivattyú jelleggörbéje

2,5

 (%)

H (m)

n = 2873 rpm

Grundfos CRI 1-3 50

18

45

16

40

14

35

12

30

10

25

8

20

6

15

4

10

2

5

0

 (%)

H (m)

n = 2873 rpm

20

0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Q (m3/h)

M-2. ábra: A melegköri szivattyú jelleggörbéje Grundfos CR 3-4 60

25

50

20

40

15

30

10

20

5

10

0

0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Q (m3/h)

M-3. ábra: A főköri szivattyú jelleggörbéje

4,5

5,0

 (%)

H (m)

n = 2873 rpm

30

Fűtési vizsgálat 90

80

hőmérséklet (°C)

70

60

50

40

30

20

10 0

5

10

15

20

25

30

35

40

idő (min)

M-4. ábra: Felfűtési vizsgálat a meleg körhöz Hűtési mérés a közepes hőmérsékletű körre 35


30

25

20

15

10 135

140

145

150

155

Idő (min)

M-5. ábra: Hűtési vizsgálat a közepes hőmérsékletű körhöz

160

Belépő ág típus

Hossz (mm)

Cső mérete

könyök (90) csőszakasz szivattyú könyök (90) csőszakasz fojtószelep könyök (90) csőszakasz csőszakasz könyök (90) (T) csőszakasz könyök (90) csőszakasz könyök (90)

160 250 360 160 1440 480 440 320 -

5/4" 5/4" 1" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 1" 1"

Külső átmérő Belső átmérő (mm) (mm) 42,3 42,3 33,5 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 33,5 33,5

35,1 35,1 27,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 27,1 27,1 

Térfogat (l) 0,50 0,62 0,58 0,50 1,39 0,62 0,50 5,56 1,85 0,50 1,70 0,50 0,74 0,26 15,82

M-2. táblázat: A köpeny recirkulációs körének belépő oldalán a csőszakaszok típusai és méretei

dupla

Visszatérő ág típus

Hossz (mm)

Cső mérete

csőszakasz könyök (90) csőszakasz könyök (90) csőszakasz csőszakasz könyök (90) (T) csőszakasz könyök (90) csőszakasz könyök (90) csőszakasz könyök (90)

190 60 1200 90 100 280 240 -

5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 5/4" 3/4" 3/4" 3/4" 3/4"

Külső átmérő Belső átmérő (mm) (mm) 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 42,3 26,8 26,8 26,8 26,8

35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 22,2 22,2 22,2 22,2

Térfogat (l)

Összesen (l)

0,73 0,50 0,23 0,50 4,63 0,35 0,50 0,39 0,50 0,43 0,38 0,37 0,38 

0,73 0,50 0,23 0,50 4,63 0,35 0,50 0,39 0,50 0,86 0,77 0,74 0,77 11,47

M-3. táblázat: A köpeny recirkulációs körének kilépő oldalán a csőszakaszok típusai és méretei

PRESSURE

DENSITY

ENTHALPY

kPa

kglm3

VAPOR

TEMP,

°C -100 -99 -98 -97 -96 -95 -94 -93 -92 -91 -90 -89 -88 -87 -86 -85 -84 -83 -82 -81 -80 -79 -78 -77 -76 -75 -74 -73 -72 -71 -70 -69 -68 -67 -66 -65 -64 -63 -62 -61 -60 -59 -58 -57 -56 -55 -54 -53 -52 -51 -50 -49 -48 -47 -46 -45 -44 -43 -42 -41

ENTROPY

LIQUID

VAPOR

LIQUID

VAPOR

LIQUID

kJ/kg LATENT

kJ/(kg)(K) LIQUID VAPOR

pf

pg

1/vf

1/vg

hf

hfg

hg

sf

sg

3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,6 5,1 5,5 5,9 6,4 7,0 7,5 8,1 8,8 9,5 10,2 11,0 11,8 12,7 13,6 14,6 15,7 16,8 17,9 19,2 20,5 21,9 23,3 24,8 26,5 28,2 29,9 31,8 33,8 35,8 38,0 40,3 42,7 45,2 47,8 50,5 53,3 56,3 59,4 62,7 66,1 69,6 73,3 77,1 81,1 85,2 89,5 94,0 98,7 103,5 108,6 113,8 119,2 124,8 130,6

2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,6 5,1 5,5 6,0 6,5 7,0 7,6 8,2 8,8 9,5 10,3 11,1 11,9 12,8 13,7 14,7 15,8 16,9 18,1 19,3 20,7 22,1 23,5 25,1 26,7 28,4 30,2 32,1 34,1 36,2 38,4 40,7 43,1 45,7 48,3 51,1 54,0 57,0 60,2 63,4 66,9 70,5 74,2 78,1 82,1 86,4 90,7 95,3 100,0 104,9 110,1 115,4 120,9 126,6

1436,6 1435,2 1433,7 1432,1 1430,4 1428,8 1427,0 1425,2 1423,3 1421,4 1419,5 1417,5 1415,4 1413,3 1411,2 1409,0 1406,8 1404,5 1402,2 1399,8 1397,4 1395,0 1392,6 1390,1 1387,6 1385,0 1382,4 1379,8 1377,2 1374,5 1371,9 1369,1 1366,4 1363,6 1360,9 1358,1 1355,2 1352,4 1349,6 1346,7 1343,8 1340,9 1337,9 1335,0 1332,1 1329,1 1326,1 1323,1 1320,1 1317,1 1314,1 1311,0 1308,0 1304,9 1301,8 1298,8 1295,7 1292,6 1289,5 1286,4

0,186 0,203 0,221 0,240 0,260 0,282 0,306 0,331 0,357 0,386 0,416 0,448 0,482 0,519 0,557 0,598 0,641 0,687 0,735 0,786 0,840 0,897 0,957 1,020 1,087 1,157 1,230 1,308 1,389 1,474 1,563 1,657 1,755 1,857 1,964 2,076 2,193 2,316 2,443 2,577 2,715 2,860 3,011 3,168 3,331 3,501 3,678 3,861 4,052 4,250 4,456 4,670 4,891 5,121 5,359 5,605 5,861 6,125 6,399 6,682

75,6 76,7 77,8 78,9 80,0 81,1 82,1 83,2 84,4 85,5 86,6 87,7 88,8 89,9 91,0 92,1 93,3 94,4 95,5 96,6 97,8 98,9 100,0 101,2 102,3 103,5 104,6 105,8 106,9 108,1 109,3 110,4 111,6 112,8 113,9 115,1 116,3 117,5 118,7 119,8 121,0 122,2 123,4 124,6 125,8 127,1 128,3 129,5 130,7 131,9 133,1 134,4 135,6 136,8 138,1 139,3 140,6 141,8 143,1 144,3

229,6 229,2 228,7 228,2 227,7 227,3 226,8 226,3 225,8 225,4 224,9 224,4 223,9 223,4 222,9 222,5 222,0 221,5 221,0 220,5 220,0 219,5 219,0 218,5 218,0 217,5 217,0 216,5 216,0 215,5 215,0 214,5 214,0 213,4 212,9 212,4 211,9 211,3 210,8 210,3 209,7 209,2 208,6 208,1 207,5 207,0 206,4 205,9 205,3 204,7 204,2 203,6 203,0 202,4 201,8 201,2 200,6 200,0 199,4 198,8

305,2 305,8 306,5 307,1 307,7 308,3 308,9 309,6 310,2 310,8 311,4 312,1 312,7 313,3 314,0 314,6 315,2 315,9 316,5 317,1 317,8 318,4 319,1 319,7 320,4 321,0 321,6 322,3 322,9 323,6 324,2 324,9 325,5 326,2 326,8 327,5 328,2 328,8 329,5 330,1 330,8 331,4 332,1 332,7 333,4 334,0 334,7 335,3 336,0 336,7 337,3 338,0 338,6 339,3 339,9 340,6 341,2 341,9 342,5 343,2

0,4409 0,4472 0,4534 0,4596 0,4658 0,4719 0,4781 0,4842 0,4903 0,4963 0,5024 0,5084 0,5145 0,5205 0,5264 0,5324 0,5383 0,5443 0,5502 0,5561 0,5620 0,5678 0,5737 0,5795 0,5853 0,5911 0,5969 0,6027 0,6084 0,6142 0,6199 0,6256 0,6313 0,6370 0,6427 0,6483 0,6540 0,6596 0,6652 0,6708 0,6764 0,6820 0,6876 0,6931 0,6987 0,7042 0,7098 0,7153 0,7208 0,7263 0,7318 0,7373 0,7427 0,7482 0,7537 0,7591 0,7645 0,7700 0,7754 0,7808

1,7728 1,7685 1,7644 1,7604 1,7565 1,7527 1,7489 1,7452 1,7417 1,7382 1,7347 1,7314 1,7281 1,7250 1,7219 1,7188 1,7159 1,7130 1,7101 1,7074 1,7047 1,7021 1,6995 1,6970 1,6945 1,6922 1,6898 1,6876 1,6854 1,6832 1,6811 1,6790 1,6770 1,6751 1,6732 1,6713 1,6695 1,6678 1,6661 1,6644 1,6628 1,6612 1,6596 1,6581 1,6567 1,6552 1,6539 1,6525 1,6512 1,6499 1,6487 1,6475 1,6463 1,6451 1,6440 1,6430 1,6419 1,6409 1,6399 1,6389

TEMP,

K 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232

M-4. táblázat: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék termodinamikai adatai

PRESSURE

DENSITY

ENTHALPY

kPa

kglm3

VAPOR

TEMP,

ENTROPY

VAPOR

LIQUID

VAPOR

LIQUID

pf

pg

1/vf

1/vg

hf

hfg

hg

sf

sg

-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9

136,7 142,9 149,4 156,1 163,0 170,1 177,5 185,2 193,0 201,2 209,5 218,2 227,0 236,2 245,7 255,4 265,4 275,8 286,4 297,4 308,7 320,3 332,2 344,5 357,1 370,1 383,4 397,1 411,1 425,6 440,4 455,6

132,5 138,6 144,9 151,5 158,3 165,3 172,6 180,1 187,8 195,8 204,1 212,5 221,3 230,3 239,7 249,3 259,2 269,4 279,9 290,7 301,8 313,3 325,1 337,2 349,7 362,5 375,7 389,2 403,1 417,4 432,1 447,2

1283,2 1280,1 1277,0 1273,8 1270,7 1267,5 1264,4 1261,2 1258,0 1254,9 1251,7 1248,5 1245,3 1242,2 1239,0 1235,8 1232,5 1229,3 1226,1 1222,8 1219,6 1216,3 1213,1 1209,8 1206,5 1203,2 1199,8 1196,5 1193,2 1189,8 1186,4 1183,0

6,975 7,278 7,592 7,916 8,250 8,595 8,951 9,319 9,698 10,090 10,492 10,906 11,332 11,772 12,225 12,692 13,174 13,669 14,180 14,705 15,246 15,803 16,376 16,966 17,572 18,196 18,838 19,498 20,177 20,875 21,593 22,331

145,6 146,9 148,1 149,4 150,7 152,4 153,7 155,0 156,3 157,5 159,9 161,2 162,5 163,7 165,0 166,3 167,6 168,9 170,2 171,5 172,8 174,1 175,4 176,7 178,0 179,4 180,7 182,1 183,4 184,7 186,1 187,5

198,2 197,6 197,0 196,3 195,7 194,6 194,0 193,4 192,7 192,1 190,3 189,7 189,1 188,4 187,8 187,1 186,5 185,8 185,1 184,4 183,8 183,1 182,4 181,7 180,9 180,2 179,5 178,7 178,0 177,2 176,5 175,7

343,8 344,5 345,1 345,8 346,4 347,0 347,7 348,3 349,0 349,6 350,3 350,9 351,5 352,2 352,8 353,4 354,0 354,7 355,3 355,9 356,5 357,1 357,8 358,4 359,0 359,6 360,2 360,8 361,4 362,0 362,6 363,2

0,7862 0,7916 0,7970 0,8024 0,8077 0,8150 0,8203 0,8256 0,8309 0,8362 0,8460 0,8512 0,8563 0,8615 0,8667 0,8718 0,8769 0,8821 0,8872 0,8924 0,8975 0,9026 0,9078 0,9129 0,9180 0,9231 0,9282 0,9334 0,9385 0,9436 0,9487 0,9538

1,6380 1,6371 1,6362 1,6353 1,6345 1,6337 1,6330 1,6322 1,6315 1,6308 1,6301 1,6295 1,6289 1,6283 1,6277 1,6271 1,6265 1,6260 1,6255 1,6250 1,6245 1,6240 1,6235 1,6231 1,6226 1,6222 1,6218 1,6214 1,6210 1,6206 1,6202 1,6198

233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264

-8

471,2

462,6

1179,6

23,089

188,8

174,9

363,8

0,9589

1,6195

265

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

487,2 503,6 520,5 537,7 555,4 573,5 592,1 611,1 630,6 650,6 671,0 691,9 713,3 735,1 757,5 780,4 803,8 827,8 852,2 877,2 902,8 928,9 955,6 982,8 1010,6 1039,0 1068,1

478,5 494,7 511,4 528,5 546,1 564,1 582,5 601,3 620,7 640,5 660,7 681,5 702,7 724,5 746,7 769,5 792,7 816,5 840,8 865,7 891,1 917,1 943,6 970,7 998,4 1026,7 1055,6

1176,1 1172,7 1169,2 1165,7 1162,2 1158,6 1155,1 1151,5 1147,8 1144,2 1140,5 1136,8 1133,0 1129,2 1125,4 1121,6 1117,7 1113,7 1109,8 1105,7 1101,7 1097,5 1093,4 1089,1 1084,9 1080,5 1076,1

23,868 24,669 25,492 26,338 27,207 28,100 29,018 29,960 30,928 31,923 32,944 33,994 35,072 36,179 37,316 38,485 39,685 40,917 42,184 43,485 44,821 46,194 47,605 49,055 50,545 52,076 53,650

190,2 191,6 193,0 194,4 195,8 197,2 198,6 200,0 201,4 202,9 204,3 205,7 207,2 208,6 210,1 211,6 213,1 214,5 216,0 217,5 219,1 220,6 222,1 223,6 225,2 226,7 228,3

174,1 173,3 172,5 171,7 170,9 170,0 169,2 168,3 167,4 166,5 165,7 164,7 163,8 162,9 162,0 161,0 160,0 159,1 158,1 157,0 156,0 155,0 153,9 152,9 151,8 150,7 149,6

364,3 364,9 365,5 366,1 366,6 367,2 367,7 368,3 368,9 369,4 369,9 370,5 371,0 371,5 372,1 372,6 373,1 373,6 374,1 374,6 375,1 375,6 376,0 376,5 377,0 377,4 377,9

0,9641 0,9692 0,9743 0,9794 0,9846 0,9897 0,9948 1,0000 1,0051 1,0102 1,0154 1,0205 1,0257 1,0308 1,0360 1,0412 1,0464 1,0515 1,0567 1,0619 1,0671 1,0723 1,0776 1,0828 1,0880 1,0933 1,0985

1,6191 1,6188 1,6184 1,6181 1,6178 1,6175 1,6171 1,6168 1,6165 1,6162 1,6159 1,6156 1,6153 1,6150 1,6147 1,6144 1,6141 1,6138 1,6135 1,6132 1,6129 1,6126 1,6123 1,6120 1,6116 1,6113 1,6110

266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292

°C


TEMP,

LIQUID

kJ/kg LATENT

K

M-5. táblázat: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék termodinamikai adatai (folytatás)

PRESSURE

DENSITY

ENTHALPY

kPa

kglm3

VAPOR

TEMP,

°C 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

ENTROPY

LIQUID

VAPOR

LIQUID

VAPOR

LIQUID

kJ/kg LATENT


pf

pg

1/vf

1/vg

hf

hfg

hg

sf

sg

1097,7 1127,9 1158,7 1190,2 1222,3 1255,0 1288,4 1322,5 1357,2 1392,6 1428,7 1465,4 1502,9 1541,1 1580,0 1619,7 1660,1 1701,2 1743,1 1785,8 1829,2 1873,4 1918,4 1964,2 2010,8 2058,3 2106,6 2155,7 2205,6 2256,5 2308,2 2360,7 2414,2 2468,6 2523,8 2580,0 2637,1 2695,2 2754,2 2814,2 2875,1 2937,0 2999,9 3063,8 3128,7 3194,6

1085,1 1115,2 1145,9 1177,2 1209,2 1241,8 1275,1 1309,1 1343,7 1379,0 1415,0 1451,7 1489,1 1527,2 1566,0 1605,6 1645,9 1687,0 1728,8 1771,4 1814,8 1859,0 1904,0 1949,8 1996,4 2043,9 2092,2 2141,3 2191,3 2242,2 2294,0 2346,6 2400,2 2454,6 2510,0 2566,4 2623,7 2681,9 2741,1 2801,4 2862,6 2924,8 2988,0 3052,3 3117,6 3184,0

1071,7 1067,2 1062,6 1057,9 1053,2 1048,4 1043,5 1038,5 1033,5 1028,3 1023,1 1017,8 1012,3 1006,8 1001,1 995,4 989,5 983,5 977,4 971,1 964,7 958,2 951,5 944,6 937,6 930,4 923,0 915,5 907,7 899,7 891,5 883,0 874,3 865,3 856,0 846,4 836,5 826,2 815,6 804,5 792,9 780,9 768,3 755,0 741,0 726,2

55,267 56,930 58,640 60,398 62,206 64,066 65,980 67,949 69,975 72,062 74,210 76,422 78,702 81,050 83,472 85,968 88,543 91,201 93,944 96,777 99,704 102,730 105,860 109,098 112,452 115,926 119,529 123,267 127,150 131,185 135,384 139,757 144,317 149,078 154,056 159,270 164,738 170,486 176,541 182,935 189,706 196,901 204,575 212,799 221,659 231,271

229,9 231,5 233,0 234,6 236,3 237,9 239,5 241,2 242,8 244,5 246,2 247,9 249,6 251,3 253,0 254,8 256,5 258,3 260,1 261,9 263,8 265,6 267,5 269,4 271,3 273,2 275,1 277,1 279,1 281,1 283,2 285,3 287,4 289,6 291,7 294,0 296,2 298,5 300,9 303,3 305,8 308,4 311,0 313,7 316,5 319,5

148,4 147,3 146,1 144,9 143,7 142,5 141,3 140,0 138,7 137,4 136,1 134,7 133,3 131,9 130,5 129,0 127,5 126,0 124,5 122,9 121,3 119,6 117,9 116,2 114,4 112,6 110,8 108,9 107,0 105,0 102,9 100,8 98,6 96,4 94,1 91,7 89,2 86,7 84,0 81,2 78,3 75,3 72,1 68,8 65,2 61,5

378,3 378,7 379,2 379,6 380,0 380,4 380,8 381,1 381,5 381,9 382,2 382,6 382,9 383,2 383,5 383,8 384,1 384,3 384,6 384,8 385,0 385,2 385,4 385,6 385,7 385,8 385,9 386,0 386,1 386,1 386,1 386,1 386,0 385,9 385,8 385,7 385,5 385,2 384,9 384,6 384,2 383,7 383,1 382,5 381,8 380,9

1,1038 1,1091 1,1144 1,1197 1,1250 1,1304 1,1357 1,1411 1,1465 1,1519 1,1574 1,1628 1,1683 1,1738 1,1793 1,1848 1,1904 1,1960 1,2016 1,2073 1,2130 1,2187 1,2245 1,2303 1,2362 1,2421 1,2480 1,2540 1,2600 1,2662 1,2723 1,2786 1,2849 1,2913 1,2977 1,3043 1,3110 1,3178 1,3247 1,3317 1,3389 1,3463 1,3539 1,3617 1,3697 1,3781

1,6106 1,6103 1,6099 1,6095 1,6091 1,6087 1,6083 1,6079 1,6075 1,6070 1,6065 1,6060 1,6055 1,6050 1,6044 1,6038 1,6032 1,6026 1,6019 1,6012 1,6005 1,5998 1,5990 1,5981 1,5973 1,5964 1,5954 1,5944 1,5933 1,5922 1,5910 1,5897 1,5884 1,5870 1,5855 1,5839 1,5822 1,5804 1,5785 1,5764 1,5742 1,5718 1,5692 1,5664 1,5633 1,5599

TEMP,

K 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338

M-6. táblázat: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék termodinamikai adatai (folytatás)

3500

3000

2000

1500

Nyomás (kPa)

2500

1000

500

0 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Hőmérésklet (°C)

M-6. ábra: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék gőznyomása a hőmérséklet függvényében Gőzsűrűség

Folyadéksűrűség 1600 1400

1000 800 600 400 200 0 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60


M-7. ábra: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék sűrűsége a hőmérséklet függvényében

Sűrűség (kg/m3)

1200

Folyadék entalpia

Látens hő

Gőz entalpia 450 400

300 250 200 150

Entalpia (kJ/kg)

350

100 50 0 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Hőmérésklet (°C)

M-8. ábra: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék entrópiája a hőmérséklet függvényében Folyadék entrópia

Gőz entrópia 2,0 1,8

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60


M-9. ábra: DuPont™ SUVA® 404A (MP62) hűtőfolyadék entalpiája a hőmérséklet függvényében

Entrópia (kJ/kgK)

1,6

Köszönetnyilvánítás Szeretném

megköszönni

dr.

Nagy

Lajos

témavezetőmnek

a

diplomamunkám készítése során nyújtott sok segítséget, illetve Varga Zoltán és Varga Tamás Phd. hallgatóknak, hogy a felmerült problémák megoldásához mindig rendelkezésre álltak. Valamint szeretném megköszönni családomnak az egyetemi évek alatt nyújtott segítséget, és szobatársamnak, Szabó Lászlónak és barátnőmnek, Danics Nórának, hogy a diplomamunka készítése alatt el tudtak viselni.

DIPLOMADOLGOZAT. Balaton Miklós Gábor

Recommend Documents