Основные принципы управления процессом 'Нагревания рассмотрим на примере поверхностного кожухотрубчатого теплообменника (рис. 4.17), в который подают нагреваемый продукт и теплоноситель. Показателем эффективности данного процесса является температура tn" продукта на выходе из теплообменника, а целью управления - поддержание этой температуры на определенном уровне.
Зависимость температуры tп" от параметров процесса может быть найдена из уравнения теплового баланса:

где Gп, Gт расходы соответственно продукта и горячего теплоносителя; сп> Ст - удельные теплоемкости продукта и горячего теплоносителя; tn', tг' - температуры продукта и горячего теплоносителя на входе в теплообменник; tт" - температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника.
Решая данное уравнение относительно tп", получим:

Рис. 4.17. Типовая схема автоматизации процесса нагревания.

Расход теплоносителя Gт можно легко стабилизировать или использовать для внесения эффективных регулирующих воздействий. Расход продукта Gп определяется другими технологическими процес¬сами, а не процессом .нагревания, поэтому он не может быть ни стабилизирован, и использован для внесения регулирующих воздействий; при изменении Gп в теплообменник будут поступать сильные возмущения. Температуры tп и t'т, а также удельные теплоемкости сп и ст определяются технологическими режимами других процессов, поэтому стабилизировать их при ведении процесса нагревания невозможно. К неликвидируемым возмущениям относятся также изменение температуры окружающей среды и свойств теплопередающей стенки вследствие отложения солей, а также коррозии.
Анализ объекта управления показал, что большую часть возмущающих воздействий невозможно устранить. (В связи с этим следует в качестве регулируемой величины брать температуру tn", а регулирующее воздействие осуществлять путем изменения расхода Gт.
Теплообменники как объекты регулирования температуры обладают большими запаздываниями, поэтому следует уделять особое внимание выбору места установки датчика и закону регулирования. Для уменьшения транспортных запаздываний датчик температуры необходимо помещать как можно ближе к теплообменнику. Для устранения запаздывания значительный эффект может дать применение регуляторов с предварением и исполнительных механизмов с позиционерами.
В качестве контролируемых величин следует принимать расходы теплоносителей, их конечные и начальные температуры, давления. Знание текущих значений этих параметров необходимо для нормального пуска, наладки и эксплуатации процесса. Расход Gт требуется знать также для подсчета технико-экономических показателей процесса, а расход Gп и температуру t для оперативного управления процессом.
Сигнализации подлежат температура tn" и расход продукта. В связи с тем что резкое падение расхода Оп может послужить причиной выхода из строя теплообменника, устройство защиты в этом случае должно перекрывать линию горячего теплоносителя.

Рис. 4.18. Двухконтурные системы регулирования процесса нагревания с использованием в качестве вспомогательной регулируемой величины расхода теплоносителя (а), давления пара (б) и давления в межтрубном пространстве (в).

Все рассуждения в отношении процесса нагревания справедливы и для процесса охлаждения. Объектом управления в этом случае будет являться кожухотрубный теплообменник, в который подается холодоноситель и охлаждаемый продукт; показателем эффективности - конечная температура продукта, а целью управления - поддержание этой температуры на заданном значении. Основным узлом управления будет регулятор конечной температуры охлаждаемого продукта, регулирование же будет осуществляться путем изменения расхода холодоносителя.

Каскадно-связанное регулирование.

Использование двухконтурных САР значительно улучшает качество регулирования конечной температуры продукта (основная регулируемая величина), если вспомогательной величиной выбрать параметр, изменение которого будет сильным возмущением для процесса теплообмена. Часто в качестве вспомогательного параметра выбирают расход теплоносителя (рис. 4.18,а); если теплоносителем служит пар с переменным давлением, то предпочтительнее брать давление теплоносителя (рис. 4.18,6) или давление в межтрубном пространстве (рис. 4.18,б). Последний вариант схемы следует использовать при переменных расходе и температуре нагреваемого продукта, так как давление в межтрубном пространстве является гораздо менее инерционным параметром, чем конечная температура продукта.
Регулирование процесса байпасированием продукта. Для регулирования систем, в которых изменение расхода теплоносителя недопустимо, используют метод байпасирования. Регулирующее воздействие в этих случаях осуществляется изменением расхода байпасируемого продукта (рис. 4.19,с).

Рис. 4.19. Схема регулирования температуры изменением расхода продукта в байпйсном .трубопроводе:
а - с помощью одного клапана; б - с помощью двух клапанов; в - с помощью трехходового клапана.

Поскольку перемещение регулирующего органа на байпасной линии все же приводит к некоторому изменению расхода продукта, при высоких требованиях к постоянству этого расхода устанавливают два мембранных исполнительных механизма разных типов (НО и НЗ, рис. 4.19,6). Аналогичный эффект достигается при установке трехходового смесительного клапана (рис. 4.19,в).
Регулирование методом байпасирования. улучшает динамическую характеристику системы, так как при этом из цепи регулирования исключается теплообменник.

Регулирование процесса изменением расхода конденсата греющего пара. 
Если теплообменник работает при частичном заливе конденсата, регулирующие воздействия можно вносить изменением расхода конденсата. Это влечет за собой изменение уровня конденсата в теплообменнике. При этом перераспределяются поверхности теплообмена между конденсирующимся паром и продуктом, с одной стороны, и конденсатом и продуктом - с другой. Интенсивность теплообмена, а затем и температура продукта на выходе теплообменника меняются. Такая система позволяет повысить эффективность работы теплообменника на 6 - 7% благодаря полному использованию тепла пара и конденсата. Однако вследствие больших запаздываний эта система может быть рекомендована лишь при условии отсутствия резких возмущающих воздействий.

Регулирование процесса изменением температуры горячего-теплоносителя. 

Если насос теплоносителя установлен после теплообменника, то стабилизировать конечную температуру продукта можно путем изменения начальной температуры горячего теплоносителя за счет рециркуляции части отработанного теплоносителя. Достоинством данного метода является постоянство расхода и скорости теплоносителя в теплообменнике, что обеспечивает высокие и стабильные значения коэффициента теплоотдачи.

Регулирование процесса изменением расхода продукта.

Если для качественного управления процессом теплообмена допустимо изменение или стабилизация расхода продукта, то в зависимости от возможных возмущающих воздействий может быть принят один из вариантов схем регулирования, показанных на рис. 4.20. Стабилизирующие регуляторы расхода теплоносителя и расхода продукта ликвидируют возмущения до поступления их в систему.

Рис. 4.20. Схемы регулирования процесса нагревания:
а - со стабилизацией расхода продукта; б - с изменением расхода продукта в зависи¬мости от конечной температуры продукта.

Регулирование процесса в теплообменниках смешения.

Малейшие изменения параметров теплоносителя при непосредственном смешении двух и более жидкостей приводят к значительным и быстрым изменениям конечной температуры продукта, поэтому при управлении теплообменников смешения часто применяют связанное регулирование и регулирование соотношения расхода теплоносителя и продукта с коррекцией по температуре продукта.

Регулирование работы трубчатых печей.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности широкое применение находят трубчатые печи, в которых продукт, непрерывно прокачиваемый через змеевик, нагревается за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Трубчатая печь является сложным объектом регулирования; стабилизацию конечной температуры продукта в ней необходимо обеспечить при значительно изменяющихся температуре и расходе продукта. Постоянно изменяется также состояние змеевика и тепловой изоляции.
Компенсация всех воздействий осуществляется изменением количества подаваемого в печь топлива.
В связи с тем, что для трубчатой печи характерны большие запаздывания (20 - 30 мин по каналу «расход топлива - конечная температура продукта»), целесообразно использовать связанное регулирование. На рис. 4.21, с представлена схема регулирования расхода топлива с коррекцией по температуре нагреваемого продукта на выходе из печи. Качество регулирования заметно улучшается при введении вспомогательного контура регулирования температуры топочных газов над перевальной стенкой. Это улучшение сильно влияет на температуру продукта на выходе из печи. Схема на рис. 4.21,6 обеспечивает регулирование температуры продукта на выходе из печи с учетом изменений температуры над перевальной стенкой и расхода нагреваемого продукта.
Качество регулирования можно улучшить также, введя дополнительно регулятор расхода .нагреваемого продукта.

Рис. 4.21. Схемы связанного регулирования процесса в трубчатой печи;