Modellbasierte Regelung von industriellen Wärmeübertragern

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der modellbasierten Regelung von industriellen Wärmeübertragern. Basierend auf den Grundlagen der Thermofluiddynamik wird im ersten Schritt ein niederdimensionales verteilt-parametrisches Temperaturmodell eines industriellen Wärmeübertragers hergeleitet. Die thermische Kopplung benachbarter Kanäle wird dabei über ein einfaches Wärmeübergangsmodell berücksichtigt, das sich aus dem stationären Geschwindigkeits- und Temperaturfeld ergibt. Zur Diskretisierung des resultierenden verteilt-parametrischen Systems wird die Finite-Volumen-Methode eingesetzt. Dabei wird auch das im Zuge dieser Arbeit entwickelte Power-Balance-Verfahren vorgestellt, ein neues Interpolationsverfahren, das insbesondere zur Diskretisierung von Kompaktwärmeübertragermodellen geeignet ist. Im Falle von Kompaktwärmeübertragern ermöglicht das Power-Balance-Verfahren im Gegensatz zu klassischen Interpolationsverfahren niederdimensionale konzentriert-parametrische Modelle mit extrem hoher stationärer und dynamischer Genauigkeit. Dies wird simulativ und durch Experimente am Prüfstand nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung zweier Regelungsstrategien. Die erste Regelungsstrategie basiert auf einer exakten Eingangs-Ausgangslinearisierung in Kombination mit einem Extended Kalman-Filter und kann auch für Wärmeübertrager mit sehr hohen Verweilzeiten der Fluide eingesetzt werden. Die zweite Regelungsstrategie wurde speziell für Kompaktwärmeübertrager entwickelt. Durch einen Wechsel der Regelgröße von der Auslauftemperatur zur im Wärmeübertrager gespeicherten thermischen Energie kann ein Regelgesetz gefunden werden, das ganz ohne die Kenntnis des Wärmeübergangsmodell auskommt. Mithilfe des entwickelten Power-Balance-Verfahrens lässt sich außerdem eine quasi-statische Schätzung der momentan gespeicherten thermischen Energie angeben, die lediglich die Ein- und Auslauftemperaturen als Messgrößen benötigt. Die resultierende Regelungsstrategie kann damit ohne die Kenntnis des Wärmeübergangsmodells implementiert werden, was einen direkten Einsatz für unterschiedlichste Varianten von Wärmeübertragern ohne Neuparametrierung des Steuergeräts ermöglicht. Aufgrund des geringen Rechenaufwands und der geringen Anzahl notwendiger Parameter ist die Regelungsstrategie für den Einsatz in Low-Cost Steuergeräten und damit für das breite industrielle Umfeld sehr gut geeignet.

The present work deals with the model based control of industrial heat exchangers. In the first step, a low dimensional distributed-parameter model of an industrial heat exchanger is derived based on the principles of thermodynamics and fluid dynamics. Thereby, the thermal coupling of adjacent channels is considered as a simple heat transfer model which results from the stationary velocity and temperature field. The finite volume method is then used to discretize the distributed-parameter system. In the course of this work, the so called power balance scheme is developed, a new interpolation method specially designed for the discretization of compact heat exchanger models. In contrast to classical interpolation schemes the power balance scheme facilitates low-dimensional concentrated-parameter models which exhibit an extremely high dynamic and static accuracy in the case of compact heat exchangers. This is verified by means of simulations and measurement results. The second part of the thesis deals with the development of two control strategies. The first control strategy is based on an exact input-output-linearization in combination with an extended Kalman filter and can also be used for heat exchangers with very high residence times of the fluids. The second control strategy is tailored to the needs of compact heat exchangers. By changing the control variable from the outlet temperature to the thermal energy stored in the heat exchanger, a control law is designed that works without any knowledge of the heat transfer model. Using the proposed power balance method, a quasistatic estimation of the thermal energy can be achieved that only requires the measurement of the inlet and outlet temperatures. The resulting control strategy can thus be implemented without the knowledge of the heat transfer model and allows the direct application to a high variety of heat exchangers without a re-parameterization of the controller. Because of the low computational effort and the few required tuning and model parameters the control strategy fits the requirements of low-cost control units and is thus well suitable for wide industrial use.