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A. Schuster:
"Simulation und Regelung von Wärmetauschernetzwerken";
Supervisor: H. Jörgl, A. Voigt; E325 A5, 2007; final examination: 2007-03-14.

Heatexchangers and different networks of heatexchangers, consisting of heaters, coolers, recuperators and other components, are often used in many kinds of industrial applications. The complex dynamical behaviour of these networks requires an efficient control,
especially in food industry, where heat exchangers are used as pasteurisation plants. The reason of this complexity lies in varying properties of food (products), which is beeing pasteurised e.g. viscosity, fraction of sugar or fraction of fat. Therefore this work
is about simulation and control of heatexchanger-networks.
With unsteady equations of balances an element discrete model of a multitube heat\-exchanger was developed. This model considers temperature and concentration dependent properties in every discrete element, as well as the actual conditions of flow, and it is able to show every temperature of the heatexchanger and its fluids. Therefore all dynamical behaviour of changes of temperature, massflow and products can be simulated. The model was programmed in the program Matlab Simulink as a level 2 s-function in M-code. The
program was designed user friendly with an input-mask, where the user can easily change important settings.
For the heater of a pasteurisation plant a new control concept for temperature profile control was introduced. This interacting control scheme for two controlled process variables is able to regulate the pasteurisation temperature and a second temperature inside the heatexchanger at the same time. With classical design of PI-controllers the practical implementation approach of this control concept is shown. Consequently the requirements of sensitive products can be exactly satisfied. For the operation of a recuperator circuit an optimisation of energy efficiency was accomplished. This is done by massflow control of the heating medium. It is also possible to regulate a temperature within the preheater, for instance a homogenisation temperature. As a result of the controllability of the temperature inside or at the outlet of the preheater, the start up and the shut down timing of facilities
can be improved.
In order to make the non-linear, high order space state model more manageable, it was linearised at different operating points. With the linearised models controllers can be easily designed. Additionally an order reduction was performed. It is possible to reduce the high dimensional models normally of 100th to 500th order down to 2nd order. The linearised and reduced models show good accordance with the non-linear, high dimensional model at each opperating point. The results of several simulations leads to excellent agreement with other models and analytical results.

Wärmetauscher und Verschaltungen von Wärmetauschern, Wärmetauschernetzwerke bestehend aus Erhitzern, Kühlern, Rekuperatoren und anderen Komponenten, werden in verschiedensten Industriezweigen vielseitig verwendet. Das komplexe dynamische
Verhalten dieser Netzwerke erfordert eine effiziente Regelung, speziell in der Lebensmittelindustrie, wo sie als Pasteurisationsanlagen eingesetzt werden. Die Ursache für diese Komplexität liegt in den unterschiedlichsten Eigenschaften der zu
pasteurisierenden Lebensmittel (Produkte), wie z.B. Viskosität, Zuckeranteil oder Fettanteil. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Simulation und Regelung von Wärmetauschernetzwerken.
Mithilfe instationärer Bilanzengleichungen wurde ein ortsdiskretes Modell eines Rohrbündelwärmetauschers gebildet. Dieses Modell berücksichtigt in jedem diskreten Element temperatur- und konzentrationsabhängige Stoffwerte, sowie die jeweiligen Strömungsbedingungen und kann alle Temperaturen des Wärmetauschers und der Fluide darstellen. Dadurch können alle dynamischen Vorgänge von Temperatur-, Massenstrom- und Produktänderungen simuliert werden. Das Modell wurde im Programm Matlab-Simulink als level 2 s-function in M-Code programmiert. Das Programm wurde benutzerfreundlich mit einer Eingabemaske gestaltet, in der wichtige Einstellungen für die Anwender auswählbar sind.
Für den Erhitzer einer Pasteurisationsanlage wurde ein neues Regelkonzept für eine Temperaturprofilregelung entworfen, eine Zweigrößenregelung, die gleichzeitig die Pasteurisationstemperatur und eine zweite Temperatur innerhalb des Wärmetauschers regelt. Mit einfachen Entwürfen von PI-Reglern wurde die Möglichkeit der Umsetzung dieses Konzeptes gezeigt. Den Erfordernissen eines sensiblen Produktes kann somit exakt entsprochen werden. An einem Rekuperator wurde eine Optimierung der Energieeffizienz vorgenommen. Dies geschieht über die Regelung des Massenstromes des Wärmeüberträgermediums, mit dem auch eine Temperatur im Inneren des Vorerhitzers geregelt werden kann, z.B. eine Homogenisierungstemperatur. Aufgrund der regelbaren Temperatur in oder am Ende des Vorerhitzers können auch An- und Abfahrvorgänge
zeitlich optimiert werden.
Um das nichtlineare Zustandsraummodell hoher Ordnung leichter handhabbar zu machen wurde es an verschiedenen Arbeitspunkten linearisiert. Mit dem liniearisierten Modell können Reglerentwürfe komfortabel durchgeführt werden. Zusätzlich wurde eine Ordnungsreduktion vorgenommen, die hochdimensionale Modelle üblicherweise in 100. bis 500. Ordnung bis auf 2. Ordnung reduzieren kann. Die linearisierten und reduzierten Modelle zeigen sehr gute Übereinstimmung mit dem nichtlinearen Modell am jeweiligen
Arbeitspunkt. Die Simulationsergebnisse zeigen im Vergleich mit Modellen von anderen Autoren und analytischen Ergebnissen sehr gute Übereinstimmung.