Непонятные показания датчиков температуры в колонне

Форум самогонщиков, пивоваров, виноделов Ректификация Вопросы ректификаторов
1 2 2
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.20  12 Февр. 18, 08:36
Не особо представляю себе, что надо сделать с датчиками, чтоб косячили на увеличение показаний.makh, 12 Февр. 18, 04:34
Для этого нужно отменить закон сохранения энергии. Не думаю, что Вам это удастся, коллега ;) Либо - см. PS

Вообще-то ничего страшного и необычного в этом явлении нет. Это - обычная физика. Вас же не удивляет, например, весной, когда солнышко уже припекает (в смысле - температура заметно выше нуля), а снег еще не тает (т.е. температура его не выше нуля). Просто здесь Вы измеряете температуру, а весной на солнышке, скорее всего, не до этого... ;)

Явление "заброса" температуры при прохождении фронта волны пара (в том числе и выше температуры пара в кубе) - это следствие нормального переходного процесса запуска колонны. В это время нет ЛТР (локального термодинамического равновесия) и надеяться, что датчик будет показывать температуру пара не стОит, ибо первое время пар будет конденсироваться на нем (в смысле - в одну сторону). Для этого Вам нужно поставить, например, ИК-датчик и настроить его соответствующим образом. Или очень-очень маленький, почти безынерционный болометр. Но на самом деле особого смысла в этом нет. Пройдет обратная волна флегмы из дефлегматора, постепенно потоки выравняются, установится ЛТР (пар, флегма, насадка и датчик придут в локальное термодинамическое равновесие) и Ваш датчик честно начнет показывать температуру среды, находящуюся в ЛТР.

PS
Если почему-то этот "заброс" температуры очень сильно пугает - можете попробовать запустить колонну очень-очень медленно (на очень малых уровнях мощности, лишь чуть-чуть превышающих тепловые потери в системе). В термодинамике это называется "квазиравновесный процесс". Но вряд ли такой медленный запуск будет оправдан в реальной работе... ;)
Kotische Академик Саратов 6383 1769
Отв.21  12 Февр. 18, 09:55
Если почему-то этот "заброс" температуры очень сильно пугаетOldBean, 12 Февр. 18, 08:36
Да не пугает он никого.
Просто хотелось понять причины такого странного на первый взгляд явления.
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.22  12 Февр. 18, 11:14
Просто хотелось понять причины такого странного на первый взгляд явления.Kotische, 12 Февр. 18, 09:55
Оно странное только если забыть (или игнорировать) несколько простых вещей из термодинамики:
1. в термодинамике есть понятие скрытой теплоты, которая может быть очень-очень большой;
2. датчик (термометр) правильно покажет температуру среды только тогда, когда он находится с ней в термодинамическом равновесии (хотя бы в локальном, в пределах размеров датчика);
3. при несоблюдении пункта 2 датчик "отгружает" температуру себя любимого, которая совсем не обязана совпадать с температурой самой среды; она может быть как выше, так и ниже в зависимости от какой фазовый переход 1-го рода происходит (испарение или конденсации, плавление или замерзание и т.п.) и "скорости" установления термодинамического равновесия.

Скрытая теплота - это одно из важнейших понятий термодинамики и, собственно говоря, одна из причин ее возникновения как самостоятельной науки. Это довольно забавная штука - вы, например, нехило греете тело (систему), а его температура не растет. Потому что все тепло (энергия) уходит на изменение внутренней структуры тела (обычно - на фазовый переход или химию). Или наоборот - выделяется "лишняя" энергия. Как в нашем случае при конденсации пара на датчике. Ну а если совсем грубо говоря - энергия пара существенно больше энергии жидкости при одной и той же температуре. Вот эту разницу энергии датчик и "принимает на грудь" ;) Его при этом слегка "колбасит". Пока все "не устаканится".  
makh Доцент Caught Somewhere In Time 1555 747
Отв.23  12 Февр. 18, 11:18, через 4 мин
связан с изменением режима работы дефлегматораAsus, 12 Февр. 18, 08:25
А какие там режимы? У меня только Вкл и Выкл, в начале и в конце процесса соответственно..
ибо первое время пар будет конденсироваться на немOldBean, 12 Февр. 18, 07:36
Ну вот я и думаю -- почему пар будет конденсироваться? Потому что градусник холодный. Будет конденсироваться, валить в него энергию, греть. Ну и нагреет до того состояния, когда дельты пар-градусник не станет, и пар, не конденсируясь на градуснике, понесет энергию дальше. Понятно, что дельта не исчезнет в ноль, потому как через градусник отводится тепло в окружающую среду -- через гильзу, по проводам, сквозь изоляцию и т.д. (потому и брешет всегда в меньшую сторону). Потом там потечет той же температуры флегма, и по итогам, при стабильных исходных, наступит в этом месте локальное термодинамическое равновесие, если правильно понял термин. Упорно не вижу в этой картине мира лишних цельсиев, надо принять стакан и выспаться.
Kotische Академик Саратов 6383 1769
Отв.24  12 Февр. 18, 11:22, через 4 мин
энергия пара существенно больше энергии жидкости при одной и той же температуре. Вот эту разницу энергии датчик и "принимает на грудь" Подмигивающий Его при этом слегка "колбасит".OldBean, 12 Февр. 18, 11:14
Вот и хотелось понять механизм этого явления.

Добавлено через 5мин.:

Упорно не вижу в этой картине мира лишних цельсиевmakh, 12 Февр. 18, 11:18
Ну я написал своё видиние, капля воды начинает поглощать спиртовый пар и разогревается до своей температуры кипения, которая выше температуры пара.
makh Доцент Caught Somewhere In Time 1555 747
Отв.25  12 Февр. 18, 11:50, через 29 мин
Kotische, такая вот аналогия возникает в мозгу, возможно некорректная, поправь -- зарядив в пароген спирт, получится довести до кипения воду в кубе?
Kotische Академик Саратов 6383 1769
Отв.26  12 Февр. 18, 12:02, через 12 мин
makh, именно такую аналогию и хотел предложить.
Заставить кипеть не получится, а до температуры кипения вполне можно. Но пока оно прогреется насосет спирта, поэтому температура будет далеко не 100°С но выше температуры пара.
Asus Доцент Москва 1006 409
Отв.27  12 Февр. 18, 15:34
А какие там режимы?makh, 12 Февр. 18, 11:18
Вначале идёт паровой нагрев колонны. Затем парофлегмовый. Далее флегмовый.
В зоне парофлегмового нагрева энергия флегмы суммируется с энергией пара, что приводит к росту температуры во всей колонне.
Дельта = (Т деф - Т куб) обусловлена массой конденсируемого в насадке пара в неустановившемся режиме.
Не?)
Не секрет так же, что измеряемая температура в паре зависит от его скорости, т.к датчик имеет находится в поле рассеяния.
И наконец перегрев может быть вызван регулировочной нелинейностью ПИД-автоматики, если она использовалась.
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.28  12 Февр. 18, 15:53, через 20 мин
Дельта = (Т деф - Т куб)Asus, 12 Февр. 18, 15:34
До дефа пар еще не дошел. Заброс температуры датчика за Tкуба происходит еще на прямой волне пара. Даже, по сути, - на ее фронте.


У меня тут в январе скопилось ведра полтора спирта-ректификата однократной перегонки. Поскольку очередные праздники уже не за горами, то я с утреца зарядил куб этим добром. Для вторичной ректификации. В рамках этого процесса было совсем несложно проверить - будет ли "заброс" температуры на чистом спирте. Точнее - на азеотропе. Без летучих и без воды. Что я и сделал. Для этого, перед началом отбора основной фракции (чистого азеотропа) я остановил нагрев куба, дал колонне остыть (градусов до 35) и вновь запустил колонну. На чистом азеотропе "заброса" не наблюдается - профили температур при запуске колонны - чистые ступеньки. Кстати, точно так же, как и для чистой воды. Там тоже чистая ступенька без выбросов.

Графики сегодняшнего процесса - в приложении к топику. На первом запуске колонны отчетливо виден заброс. К сожалению, забыл отключить на время запуска блокировку по температуре в ТСА (голубенькая кривая). Автоматика сработала и отключила нагрев. Правда заметил я это только минут через десять и опят включил разгон. Поэтому на "двугорбость" первого запуска не обращайте внимания. Второй запуск - примерно на 550 минуте. Хорошо видно четкую ступеньку. Безо всяких выбросов.

Так что одна гипотеза (неравновесная однокомпонентная конденсация) отпадает. А жаль! Реально понаблюдать "инерцию" тепла в такой неравновесной системе - было бы очень интересно! Но, видимо, не судьба...

Ну да ладно. Остается еще две гипотезы относительно механизмов "залета" температуры: 1) неравновесная конденсация в многокомпонентных системах (когда в кубе кипит смесь спирт-летучие, а на датчике конденсируется только спирт; подробности - в конце этого топика) и 2) дополнительный нагрев датчика за счет энтальпии смешения конденсирующегося спирта с остаточной водой в колонне (предложил коллега makh в этом топике). К сожалению, в начале текущей ректификации не сообразил промыть колонну спиртом для удаления остатков воды с насадки. Правда система (и куб и колонна) стояла пустая пару недель и потом еще колонна стояла пару дней отдельно от куба. Поэтому воды на насадке должно быть немного. Тем не менее, вопрос пока остается открытым. Но следующая вторичная ректификация, чтобы окончательно решить вопрос, у меня будет еще не скоро...
scr.png
1259x778 162Кб
makh Доцент Caught Somewhere In Time 1555 747
Отв.29  13 Февр. 18, 00:37
кипеть не получится, а до температуры кипения вполне можноKotische, 12 Февр. 18, 12:02
Висит на стенке трубы капля воды. Наверное, нагреется до каких-то неплохих значений еще до начала прямого контакта с паром. А затем начнет насасывать высокоэнергетический спирт, очень быстро подбираясь вплотную к точке кипения для своей текущей спиртуозности. И если в этот момент в это место подкинуть еще мало-мало энергии, то как бы могло бы и закипеть. Раньше, чем полностью сравняется спиртуозностью с паром. И может быть даже вызвать цепную реакцию, наблюдаемую в виде поднимающейся вверьх по трубе разогревающейся зоны.
Каждый это делал -- поллитра воды, поллитра спирта, поболтать -- на сколько литруха стала теплее исходников? Градусов на пять точно, не? Слишком убогое кол-во энергии, чтобы хоть что-то сдвинуть в трубе, или может для запуска волны и не много надо?
чистые ступенькиOldBean, 12 Февр. 18, 15:53
Класс!

Да, нужен опыт с обезвоженной колонной. Как бы это без разборки.. Пролить ацетоном, продуть пылесосом, поставить на куб и залить аргоном по со самое ТСА? .) Или просто загрузить спирт в куб через верхний отбор достаточно будет для чистоты эксперимента?
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.30  13 Февр. 18, 05:09
нужен опыт с обезвоженной колонной. Как бы это без разборки.makh, 13 Февр. 18, 00:37
Тут вот такая мыслишка завелась... В рамках того процесса, что у меня сейчас идет, можно сделать еще один несложный эксперимент. Правда он - инверсный: не осушенная насадка, а наоборот - смоченная водой. А в кубе - чистый спирт. По поводу летучих он ничего не скажет, но мы вполне сможем проверить Вашу гипотезу с водой. По крайней мере - экспериментально оценить величину этого эффекта.

Схема эксперимента такова. У меня неснижаемый остаток - около 2.5 л. Я остановлю этот процесс чуть раньше (например, на 3-3.5 л, чтобы хватало спирта для запуска колонны). Это будет еще довольно чистый азеотроп, но без летучих и с небольшим количеством воды и хвостов. Можно предварительно сделать еще один запуск, чтобы убедиться, что эффекта нет. Далее, я остужаю все, сливаю этот спирт из куба, наливаю в куб воду и в режиме пропарки (по сути - дистиллятора) заменяю остаточный спирт в насадке колонны на воду. Индикация - по температуре в колонне и дефлегматоре. Затем опять все остужаю, снимаю колонну и немного "выстаиваю" ее отдельно от куба. В насадке колонны остается только вода, которая хорошо смачивает насадку. Затем полностью сливаю воду из куба, подсушиваю его и заливаю тот самый спирт, который мы слили до этого. Аккуратно ставлю колонну на куб. В результате мы получаем систему: почти чистый спирт в кубе (без летучих) и смоченная водой насадка в колонне. Далее - запуск, как обычно. Посмотрев профили температур при запуске такой системы, мы поймем - хватает этого механизма (который с водой) для заметного "заброса" температуры или нет.

Мне кажется такой эксперимент будет достаточно информативным. Есть мысли по схеме эксперимента? Отбор тела при вторичной ректификации я веду достаточно медленно (250 мл/час). Поэтому процесс будет продолжаться еще 30 с половиной часов и закончится только завтра к обеду. Так что еще есть время на подумать и для корректив...
makh Доцент Caught Somewhere In Time 1555 747
Отв.31  13 Февр. 18, 05:20, через 12 мин
OldBean, насчет информативности полностью согласен, по схеме вопросов не имею, идею проведения эксперимента всячески поддерживаю.
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.32  13 Февр. 18, 06:13, через 53 мин
Да,совсем забыл еще вчера сказать (по поводу - откуда брать градусы). Существует много способов самопроизвольной передачи энергии от холодного тела более горячему. Даже в классической равновесной термодинамике (например, различные варианты работы; в том числе и в запускаемой колонне). А в отсутствии равновесия и стационара, грубо говоря, возможно все! Даже жизнь ;) Но, к сожалению, "на пальцах" здесь фантазировать можно бесконечно. Поэтому давайте лучше разберемся с Вашим эффектом экспериментально. Эксперимент, как правило, быстро "охлаждает" даже самые красивые фантазии теоретиков ;)
Asus Доцент Москва 1006 409
Отв.33  13 Февр. 18, 08:16
До дефа пар еще не дошелOldBean, 12 Февр. 18, 15:53
Серёжа, я именно это имею ввиду, говоря о
в неустановившемся режиме.
С приходом пара в дефлегматор возникает законная обратная флегма, а не плёночная, как в режиме прогрева, и она понижает температуру в колонне. Скорость пара вверху сначала возрастает из-за сужение сечения колонны Д-флегмаой , а затем падает, датчик и показывает это изменение потока температурой. Регистрирующий датчик дифференциального давления между кубом и дефлегматором помог бы уяснить предполагаемую картину.

При автоклавировании я иногда сбрасываю избыточное давление и всегда наблюдаю короткое повышение температуры на 0,5°С, затем законный провал. Работает скорость пара, или плотность его потока, воздействущего на термометр при одной температуре, у которой есть две составляющее - массопередаточная в динамике (на корпусе приборе) и инфракрасная (истинная). Баланс притока энергии и её рассеяния измерительным  конструктивом (датчик-корпус) меняется, меняются и показания термометра.
Речь идёт о переходном процессе.
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.34  13 Февр. 18, 11:28
Здесь мы рассматриваем самый первый фронт волны пара двигающегося по колонне сквозь насадку. Первоначальная температура этого железа (до прихода пара) близка к комнатной. Честно говоря, я так и не понял при чем здесь температура в дефлегматоре, которая фигурирует в Вашей формуле: Дельта = (Т деф - Т куб). Строго говоря, ни пар на фронте волны, ни насадка в это время вообще еще не знают о существовании дефлегматора.
Asus Доцент Москва 1006 409
Отв.35  13 Февр. 18, 14:37
Дельта = (Т деф - Т куб) обусловлена массой конденсируемого в насадке пара в неустановившемся режиме.Asus, 12 Февр. 18, 15:34
OldBean Доктор наук Красноярск 562 960
Отв.36  14 Февр. 18, 15:12
2makh

В обед закончилась вторая дистилляция. Оставил в кубе спирта с небольшим запасом для запусков колонны. На всякий случай сделал "контрольный выстрел" - еще раз охладил систему и, ничего не вскрывая, опять запустил колонну. И опять чистая ступенька. Безо всяких "забросов" (фрагмент лога - в приложении). Так что для однокомпонентной системы (вода в кубе и в насадке или наоборот спирт в кубе и насадке) все однозначно - эффекта нет.

Оставил установку охлаждаться до утра. Сливать горячий спирт из куба - коллеги не поймут ;)) Так что пусть остывает до утра. Завтра проверю будет ли "залет" при прохождении волны спиртового пара по пленке воды на насадке и датчике (т.е. спирт в кубе, но на насадке вода).  

Добавлено через 17ч. 6мин.:

2makh
Поздравляю, коллега! Ваша гипотеза с водой блестяще подтвердилась!

Теперь немножко подробностей.

Итак, вчера, после окончания вторичной ректификации, я еще раз, на всякий случай, убедился что на системе "спирт в кубе - спирт в насадке" заброса температуры нет. Сегодня я заменил спирт, смачивающий насадку и датчики на воду. По методе описанной ранее. Чтобы сделать систему "спирт в кубе - вода в насадке". Логи процесса замены - на рисунке ниже:
204684.png
После чего все опять остудил, слил остаток воды из куба и залил туда спирт. Далее, как обычно - запуск. Графики логов - наследующем рисунке.
204685.png
 Полагаю, комментарии к этим графикам уже излишни :)

PS
Очень жаль, что это оказалась - не "тепловая инерция". Давно уже мечтаю понаблюдать ее в какой-нибудь реальной системе. Ну, возможно, как-нибудь, в другой раз... ;) Но все равно - спасибо за задачку! Очень люблю такие.
2_Удаление_остаточного_спирта_из_колонны.png
1267x790 169Кб
3_запуск_спирт_в_кубе_вода_на_насадке.png
1266x800 159Кб
Контрольный_запуск.png
1266x783 165Кб
makh Доцент Caught Somewhere In Time 1555 747
Отв.37  16 Февр. 18, 15:18
OldBean, снимаю шляпу, очень наглядно и убедительно. С процессами в трубе снова все понятно, буду спать спокойно .)