Сигналы о неисправностях расстойного шкафа подаются на его пульт управления и дублируются звуковым сигналом с одновременным отключением оборудования. То же происходит при отключении воды. Проектируемая система управления предотвращает перегрев ТЭНов выше критической температуры и повышение или понижение уровня воды в камере парогенератора за критические отметки, что могло бы привести к аварийной ситуации.
Все это исключает эксплуатацию расстойного шкафа в неисправном и опасном для персонала хлебопекарни, состоянии.
Электробезопасность
На основе Правил устройства электроустановок (ПУЭ-92) помещение цеха, где производится выпечка хлеба по степени опасности поражения электротоком относят к помещениям особо опасным, так как температура в цехе t>30°С, влажность воздуха j>75%, полы в помещении токопроводящие. Поэтому необходимо принять особые меры электробезопасности, исходя из требований ГОСТ 12.2.007.0-75 “ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности”; ГОСТ 12.1.030-81 “ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление и зануление”.
Вся электропроводка проведена в защищенных от человека местах, что исключает возможность повреждения ее изоляции персоналом пекарни. Расстойный шкаф и проектируемая система управления для него выполнены так, чтобы их токоведущие части были не доступны для случайного соприкосновения и изолированы. Это достигается защитными ограждениями, блокировкой аппаратов, защитными заземлениями. При снятии кожухов предусмотрена электрическая блокировка.
По технологическим требованиям для электропитания расстойного шкафа используется четырехпроводная сеть, так как она обеспечивает два рабочих напряжения - линейное (380В) для силовых цепей и фазное (220В) для цепей управления. Исходя из требований безопасности и в связи с невозможностью обеспечить хорошую изоляцию электроустановок из-за высокой влажности в помещении, используется сеть с заземленной нейтралью. Несмотря на то, что в период нормального режима работы сети она является более опасной по условиям прикосновения к фазному проводу, в аварийный период, когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с заземленной нейтралью менее опасна.
В трехфазных четырехпроводных сетях с заземленной нейтралью заземление не обеспечивает защиты. При фазном напряжении Uф=220В ток однофазного короткого замыкания
Iз = Uф / (Rз + R0) = 220 / (4 + 4) = 27,5 А,
а напряжение на заземленном корпусе
Uз = Iз ґ Rз = 27,5 ґ 4 = 110 В.
Корпуса оборудования будут находится под опасным напряжением, не смотря на то, что они заземлены. Поэтому для защиты людей в таких случаях используется не заземление, а зануление.
Зануление - это способ защиты от поражения током автоматическим отключением поврежденного участка сети и одновременно снижением напряжения на корпусах оборудования на время, пока не сработает отключающий аппарат. Для этого металлические нетокопроводящие части расстойного шкафа, которые могут оказаться под напряжением, соединяются с нулевым защитным проводником, идущим к нейтральной точке обмотки трансформатора с глухозаземленной нейтралью.
Цепь зануления (трансформатор - фазные провода - защитные нулевые проводники - трансформатор) имеют весьма малое сопротивление ( < 1 Ом). При замыканиях на корпус ток короткого замыкания, проходящий по этой цепи, достигает сотен ампер.
Основное требование безопасности к занулению заключается в том, чтобы обеспечить срабатывание защиты за доли секунды при замыканиях на корпус. Для надежного и быстрого отключения необходимо, чтобы ток короткого замыкания Iкз превосходил номинальный ток отключающего автомата:
Iкз і k ґ Iном,
где Iном - номинальный ток отключения автомата,
k - кратность тока короткого замыкания относительно тока отключения автомата.
Для отключающих автоматов с тепловым расцепителем с обратно зависимой от тока характеристикой k = 3.
Ток короткого замыкания определяется по формуле:
где Zт - полное сопротивление трансформатора;
Zф - полное сопротивление фазного провода;
Zнп - полное сопротивление нулевого провода;
Полная проводимость нулевых защитных проводников во всех случаях должна быть не менее 50% проводимости фазного провода или в переводе на сопротивления:
Zнп Ј Zф
В нашем случае:
k = 3;
Iном = 100 А;
Zт = 0,5 Ом;
Zф = 0,4 Ом;
Zнп = 0,1 Ом.
Тогда:
Следовательно условие 330 і 3 ґ 100 выполняется и отключение при замыкании произойдет надежно и быстро.
Для повышения эффективности системы зануления особое внимание уделяется надежности металлической связи корпуса расстойного шкафа с заземленной нейтралью источника питания через нулевой провод.
Исправность изоляции - это основное условие безопасности эксплуатации и надежности электроснабжения. В сетях с заземленной нейтралью большую роль играет состояние изоляции. При плохом ее состоянии могут происходить замыкания на землю (корпус) и короткие замыкания. Поэтому, для обеспечения безопасности, сопротивление изоляции должно быть Rиз > 0,5 МОм.
Согласно ГОСТ 12.3.019-80 “ ССБТ. Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности” необходимо выполнять замеры на исправность зануления электроустановок и проводить периодический контроль изоляции по ее сопротивлению.
Борьба с вредным воздействием шума и вибраций
Шум и вибрация оказывают вредное воздействие на работоспособность человека. Шум воздействует на центральную нервную систему и утомляет, притупляя органы слуха. Длительное воздействие вибраций на организм человека вызывает вибрационную болезнь с потерей трудоспособности. СН 3223 85 “Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах” устанавливают уровень шума в цеху не более 80 дБ. С целью уменьшения уровня шума следует:
содержать оборудование в исправном рабочем состоянии;
своевременно проводить техосмотры и ремонты;
заменять механизмы издающие повышенный шум;
использовать во вращающихся механизмах бесшумные подшипники качения и скольжения;
применять бесшумные цепные передачи;
правильно осуществлять монтаж и наладку оборудования;
для защиты от вибрации использовать виброглушители;
для уменьшения шума от вентиляторов и насосов использовать звукоизолирующие кожухи.
В расстойном шкафу основными источниками шума являются вентилятор, работающий постоянно, и насос, включающийся при сливе воды. Максимальный уровень шума при работе расстойного шкафа без дополнительных мероприятий по борьбе с шумом составляет Lmax = 90 Дб.
Для уменьшения шума, излучаемого этими агрегатами применяются звукоизолирующий кожух, изготовленный из стали 30ХГСА толщиной 1 мм. Кожух крепится к расстойному шкафу через эластичные прокладки и не касается поверхностей изолируемых агрегатов.
Звукоизолирующая способность кожуха определяется по формуле:
Rк = 20lg( m ґ ¦ ) - 60,
где
m - масса 1 м2 кожуха;
Для стали 30ХГСА, плотностью r = 7900 кг/м3 масса 1 м2 кожуха толщиной 1 мм
m = 7900 ґ 0.001 ґ 1 ґ 1 = 7,9 кг;
¦ - частота звука.
Максимум уровня шума приходится на частоту
¦ = 1000 Гц.
Тогда кожух обладает звукоизолирующей способностью
Rк = 20lg( 7,9 ґ 1000 ) - 60 = 18 Дб
Требуемая звукоизолирующая способность кожуха
Rк треб = Lmax - Lдоп + 5,
где
Lдоп - допустимый уровень шума в помещении,
равный Lдоп = 80 Дб.
Следовательно
Rк треб = 90 - 80 + 5 = 15 Дб
И, так как Rк і Rк треб, то звукоизолирующий кожух обеспечивает понижение уровня шума до нормативных величин.
Выводы по охране труда и окружающей среды
Мероприятия по охране труда позволяют за счет небольших затрат свести к минимуму потери от внезапных аварийных ситуаций, а иногда и предотвратить их.
Внимательно проанализировав вредности и опасности присущие данному производству нужно и важно сделать все возможные шаги по их нейтрализации и недопущению ситуаций, в которых могли бы пострадать работники.
Проектируемая система управления играет большую роль в обеспечении безопасности работы с расстойным шкафом, облегчая труд работающих с ним и контроллируя параметры работы расстойного шкафа и не позволяя выйти им за допустимые пределы.
Все рассмотренные выше мероприятия и требования по обеспечению безопасности при работе с расстойным шкафом ведут к снижению уровня профессиональных заболеваний, производственного травматизма, к уменьшению числа поломок оборудования и времени его простоя, и, в конечном итоге, к увеличению количества и улучшению качества выпекаемых хлебобулочных изделий, что позволяет увеличить рентабельность производства и еще больше средств выделять на мероприятия по обеспечению безопасности.
Разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу
Сведения из теории термодинамики и теплопередачи
Разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу производится по законам термодинамики и теплопередачи (теплообмена).
В учении о теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отличаются большой сложностью и обычно развиваются в виде комплекса разнородных явлений.
Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой. Теплопроводность представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты.
Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс распространяется по всему телу. То есть теплороводность представляет процесс распространения энергии между частицами тела, находящимися друг с другом в соприкосновении и имеющими различные температуры. Например, если нагревать один конец железного стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размеров, а также от разности температур между различными частями тела. При определении переноса теплоты теплопроводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике до сих пор не решены. Эти трудности состоят в том, что тепловые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой зависят от температуры и изменяются по объему; кроме того, трудности возникают с увеличением сложности конфигурации системы.
Теплопроводность l (или коэффициент теплопроводности) характеризует способность данного вещества проводить теплоту.
Q = (T2 - T1)ґlґS/d - тепловой поток через плоские стенки, где d - толщина стенки, S - площадь поверхности стенки, (Т2 - Т1) - разность температур на поверхностях стенки.
Второй вид перноса теплоты - ковекция - происходит только в газах и жидкостях. Этот вид переноса осуществляется при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. Конвекционный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорость движения жидкости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменомобменом; он может быть вынужденным и свободным. Если движение рабочего тела вызвано искуственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если же движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным (естественным) конвективным теплообменом.
В большинстве случаев перенос теплоты осуществляется несколькими способами, хотя часто одним или даже двумя способами пренебрегают ввиду их относительно небольшого вклада в сумммарный сложный теплоперенос.
При расчете теплопередачи конвекцией между твердым телом и газом (жидкостью) используют выражение
Qконв = (T2 - T1)ґaґS,
где a - коэффициент теплоотдачи от твердого тела к газу,
S - площадь поверхности омываемого твердого тела,
Т2 и Т1 - температуры тела и газа.
При расчете теплопередачи через плоскую стенку используют следующее выражение
Qконв = (T2 - T1)ґkґS,
где k - коэффициент теплопередачи (характеризуе интенсивность теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку);
S - площадь поверхности стенки;
(Т2 - Т1) - разность температур на поверхностях стенки.
Коэффициент теплопередачи расчитывается по формуле
,
где d - толщина стенки;
l - коэффициент теплопроводности стенки;
a1 - общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенки;
a2 - общий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки .
Общие коэффициенты теплоотдачи методически оцениваются одинаково - как сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией (aкон) и излучением (aизл):
aобщ = aкон + aизл .
Для расчета теплоты, необходимой для нагрева тел, пользуются формулой теплоемкости:
Q = c ґ m ґ DТ,
где с - коэффициент теплоемкости тела;
m - масса тела;
DТ - разность начальной и конечной температур тела.
Модель поддержания заданной температуры
Во время работы расстойного шкафа в его камере протекают сложные теплообменные процессы.
Основным источником тепла в расстойном шкафу являются нагревательные элементы (ТЭНы), находящиеся в потоке воздуха, циркуляция которого обеспечивается циркуляционным насосом. Подогретый воздух передает тепловую энергию тестовым заготовкам, прогревая их. Одновременно часть энергии расходуется на прогрев тележек, а часть энергии теряется за счет теплопередачи через стенки расстойного шкафа. При работе системы поддержания заданной влажности вместе с паром в камеру расстойного шкафа также попадает энергия. Следовательно, уравнение теплового баланса расстойного шкафа выглядит следующим образом:
Qвозд = Qтэн + Qпара - Qтеста - Qтел - Qст ,
где Qвозд - теплота затрачиваемая на прогрев воздуха;
Qтэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;
Qпара - количество теплоты, вносимое в камеру расстойного шкафа вместе с паром, необходимым для поддержания в камере расстойного шкафа заданного уровня относительной влажности воздуха;
Qтеста - количество теплоты, идущее на прогрев теста;
Qтел - количество теплоты, идущее на прогрев тележек;
Qст - потеря тепла через стенки.
Теплота, затрачиваемая на прогрев воздуха, может быть описана как:
Qвозд = cвозд ґmвозд ґ(dTвозд/dt),
где cвозд - теплоемкость воздуха:
cвозд = (св + cп ґ dв/1000),
где св - теплоемкость сухого воздуха;
сп - теплоемкость перегретого пара;
dп - влагосодержание воздуха.
Так как влагосодержание влажного воздуха зависит от его температуры и влажности, то и теплоемкость влажного воздуха зависит от этих параметров.
mвозд - масса воздуха в расстойном шкафу;
mвозд = rвозд ґ Vвозд ,
где rвозд - плотность влажного воздуха в камере расстойного шкафа;
Vвозд - объем воздуха в камере расстойного шкафа.
dTвозд/dt - скорость изменения температуры воздуха.
Откуда:
Тепловой поток с поверхности ТЭНов описывается с помощью уравнения конвективной теплопередачи:
Qтэн = aтэнґSтэнґ(Ттэн - Твозд),
где aтэн - коэффициент теплоотдачи ТЭНов;
Sтэн - площадь поверхности ТЭНов;
Ттэн - температура ТЭНов;
Твозд - температура циркулирующего воздуха.
При этом, излишки энергии ТЭНов идут на изменение их температуры:
,
где dT/dt - скорость изменения температуры ТЭНов;
Ртэн - мощность ТЭНов;
Qтэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;
cтэн - теплоемкость материала ТЭНов;
mтэн - масса ТЭНов.
В связи с тем, что в процессе расстойки необходимо поддерживать заданную температуру, ТЭНы включены только пока температура воздуха в камере расстойного шкафа меньше заданной. Как только температура воздуха превышает заданный предел на допустимую величину, система управления подает сигнал на отключение ТЭНов. При этом Ртэн = 0. При падении температуры за нижний предел система управления подает сигнал на включение ТЭНов. При этом Ртэн = Ртэн зад , где Ртэн зад - номинальная мощность ТЭНов.
Тепловой поток, вносимый с паром, расчитывается по формуле:
Qпара = (Ртен вл / r) ґ hп,
где Ртен вл - мощность ТЭНов, используемых для подогрева и испарения воды, с целью увлажнения воздуха в расстойном шкафу;
r - теплота парообразования воды;
hп - удельная энтальпия насыщенного пара.
Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками и используемый для их прогрева, может быть описан формулой конвективного теплообмена:
Qтеста = aтеста ґ Sтеста ґ (Твозд - Ттеста),
где aтеста - коэффициент теплоотдачи поверхности тестовых заготовок;
Sтеста - площадь поверхности тестовых заготовок;
Ттеста - температура тестовых заготовок, скрость изменения которой, с учетом того, что при расстойке в тестовых заготовках выделяется энергия Qтеста выд, составляет:
,
где cтеста - теплоемкость тестовых заготовок;
mтеста - масса тестовых заготовок.
Аналогично, тепловой поток, получаемый тележками и используемый для их прогрева, также может быть описан формулой конвективного теплообмена:
Qтел = aтел ґ Sтел ґ (Твозд - Ттел),
где aтел - коэффициент теплоотдачи поверхности тележек;
Sтел - площадь поверхности тележек;
Ттел - температура тележек, скрость изменения которой:
,
где cтел - теплоемкость тележек;
mтел - масса тележек.
Потери теплоты через стенки расстойного шкафа рассчитываются по уравнению теплопередачи:
Qст = kcт ґ Sст ґ (Твозд - Тос),
где kст - коэффициент теплопередачи через стенки;
Sст - площадь стенок камеры расстойного шкафа;
Тос - температура окружающей среды.
Следует учесть, что коэффициенты теплоотдачи конвекцией (aтэн, aтеста, aтел) и коэффициент теплопередачи kст (также зависящий от коэффициентов теплоотдачи поверхностей стенок) в свою очередь зависят от многих факторов: от температур поверхностей и омывающей их среды, от скорости движения последней, от ее теплопроводности, вязкости, плотности и теплоемкости (в свою очередь также зависящих от температуры среды), от конфигурации и состояния поверхностей и их геометрических размеров. Нахождение коэффициентов теплоотдачи конвекциеей возможно путем решения системы дифференциальных уравнений (Фурье-Кирхгофа, Навье-Стокса, сплошности(непрерывности), дифференциальноо уравнения теплообмена, описывающего процесс теплоотдачи на границах тела) с прибавлением краевых условий (геметрические условия, характеризующие форму и размеры тела, в котором протекает процесс теплопередачи; физические условия, характеризующие физические свойства среды и тела; граничные условия, характеризующие протекание процесса теплопередачи на границах тела; временные условия, характеризующие протекание процесса во времени). Это возможно лишь в некоторых частных случаях при использовании ряда упрощений, причем полученные решения не всегда согласуются с опытными результатами. Поэтому изучение конвективного теплообмена развивалось, как правило, экспериментальным путем. Однако чисто экспериментальное изучение какого-либо физического явления имеет тот недостаток, что его результаты имеют ограниченную ценность, так как применимы лишь к частному явлению. Это чрезвычайно усложняет эксперимент, заставляя опытным путем проверить зависимость данного явления от ряда факторов, а некоторые явления зависят от многих переменных. На помощь в этих случаях приходит теория подобия, позволяющая в известной степени обобщить полученные опытные результаты, распространить их на целую группу подобных явлений. Подобные системы характеризуются безразмерными комплексами, составленными из характеризующих явление величин, сохраняющими одно и то же численное значение. Такие величины носят название инвариантов или критериев подобия и обозначаются символами, состоящими из первых букв фамилий ученых, которые их ввели в употребление или вообще работали в данной области. Для определения критериев теплового подобия для передачи тепла в движущейся среде конвекцией используется дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье-Кирхгофа совместно с граничным уравнением теплообмена. На основе уравнения подобия процессов определяются соотношения между постоянными подобия, и из которых путем подстановки определяются критерии теплового подобия:
Nu = a ґ l / l - число Нуссельта.
Число Нуссельта характеризует собой условия теплопередачи между твердым телом и средой, оно содержит в себе искомую величину - коэффициент теплоотдачи a, коэффециент теплопроводности среды l и определяющий размер l, характеризующий собой геометрическое подобие.
Ре = u ґ l / a - число Пекле.
Число Пекле обычно преобразуется и представляется в виде двух критериев:
Число Рейнольдса Re содержит в себе скорость потока u и коэффициент кинематической вязкости n = m/r м2/с, где m - коэффициент динамической вязкости, характеризует собой ее внутреннее трение; r - плотность среды. Число Рейнольдса является критерием гидродинамического подобия, он характеризует собой условия вынжденного движения среды.
Множителями числа Прандтля Pr являются физические параметры - кинематическая вязкость и коэффициент температуропроводности - число Прандтля характеризует собой свойства среды. Оно практически не зависит ни от давления, ни от температуры. Так как коэффициент температуропроводности
a = l / (c ґ r ),
то Pr = c ґ r ґ n / l ,
где с - теплоемкость среды;
r - плотность среды;
l - коэффициент теплопроводности среды.
Так как мы имеем дело с теплоотдачей в потоке движущейся среды, то кроме теплового подобия, должны быть соблюдены условия гидромеханического подобия. Критерии гидромеханического подобия выделяются из дифференциального уравнения движения несжимаемой вязкой жидкости Навье-Стокса. Это то же число Рейнольдса, а также число Грасгофа:
Gr = bґgґl3ґDt/n2,
где g - ускорение свободного падения;
Dt - температурный перепад между средой и омываемой ею поверхностью;
b - функция, связывающая изменение плотномти среды с температурой.
Число Грасгофа Gr характеризует свободное конвективное движение среды.
Критериальное уравнение теплопередачи конвекцией строится по типу:
Nu = f ( Re , Gr , Pr )
Здесь Nu содержит в себе искомую величину a и является неопределяющим критерием, тогда как критерии Re, Gr, Pr - определяющими.
Для газов одинаковой атомности и, в частности, для воздуха, когда Pr = const, будем иметь:
Nu = F ( Re , Gr ).
А при вынужденном турбулентном движении газа, что имеет место в расстойном шкафу при обтекании потоком воздуха нагревателей, когда естественной конвекцией можно пренебречь, выпадает число Грасгофа:
Nu = F ( Re ).
Значение критической скорости, при которой происходит переход от ламинарного режима течения воздуха к турбулентному, соответствующее числу Рейнольдса Re = 2200, равно:
uкр = 2200 ґ n / d.
При работе расстойного шкафа в установившемся режиме в нем происходят постоянные колебания температуры в установленных пределах. Это обьясняется работой системы управления. То есть не только при прогреве, но даже в установившемся режиме коэффициенты теплоотдачи поверхностей ТЭНов, тележек и стенок не являются постоянными и не подлежат однозначному точному матаматическому описанию.
Еще большую проблему представляет нахождение коэффициента теплоотдачи поверхностей тестовых заготовок. Это связано с тем, что при поступлении тестовых заготовок в расстойный шкаф они прогреваются значительно медленнее, чем циркулирующая в камере шкафа паровоздушная среда. Когда температура заготовок оказывается меньше температуры точки росы паровоздушной среды, на их поверхности конденсируется влага, многократно увеличивая коэффициент теплоотдачи и интенсифицируя процесс теплопередачи от паровоздушной среды к поверхности тестовых заготовок, в результате чего скорость прогрева их поверхности увеличивается. Влага, покрывающая тестовые заготовки, также предотвращает их от затвердевания и от образования трещин при увеличении тестовых заготовок. Конденсация влаги прекращается по достижении поверхностью тестовых заготовок температуры точки росы (в свою очередь зависящей от постоянно меняющихся температуры и влажности циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха). Коэффициент теплоотдачи поверхности тестовых заготоврк при этом уменьшается, что влечет за собой уменьшение интенсивности их прогрева. Таким образом, строгое математическое описание коэффициента теплоотдачи поверхности тестовых заготовок не представляется возможным.
Модель поддержания заданной влажности воздуха
Относительная влажность воздуха в расстойном шкафу находится по уравнению:
jвозд = rп / rmax ,
где rmax - максимально возможная абсолютная влажность воздуха при данной температуре;
rп - действительная абсолютная влажность ненасыщенного воздуха, скорость изменения которой (drп/dt) может быть выражена как:
,
где Vвозд - объем циркулирующего в расстойном шкафу влажного воздуха;
Gпотерь - расход пара на конденсацию на стенках камеры расстойного шкафа и на поверхности тестовых заготовок;
Gпара - расход пара на увлажнение воздуха в камере расстойного шкафа:
Gпара = Ртен вл / r ,
где r - теплота парообразования воды;
Ртен вл - мощность ТЭНов, используемых для подогрева и испарения воды, с целью увлажнения воздуха в расстойном шкафу.
В связи с тем, что в процессе расстойки необходимо поддерживать заданную влажность, данные ТЭНы включены только пока относительная влажность воздуха в камере расстойного шкафа меньше заданной. Как только относительная влажность воздуха превышает заданный предел система управления подает сигнал на отключение ТЭНов увлажнения. При этом Ртэн вл = 0. При падении относительной влажности ниже предельной, система управления подает сигнал на включение ТЭНов увлажнения. При этом Ртэн вл = Ртэн вл зад, где Ртэн вл зад - номинальная мощность ТЭНов увлажнения.
Максимально возможная абсолютная влажность воздуха (rmax) зависит от температуры циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха, а теплота парообразования воды (r) зависит от температуры воды. И если последняя в установившемся режиме работы расстойного шкафа практически неизменна, то температура воздуха меняется в заданном диапазоне и в установившемся режиме работы расстойного шкафа. А rmax довольно существенно зависит от температуры воздуха. То есть даже в установившемся режиме работы расстойного шкафа rmax будет существенно менятся и эти изменения не описываются с большой точностью математически.
Потери пара на конденсацию (Gпотерь) присходят не всегда, а только при условии, что внутренняя поверхность стенок камеры расстойного шкафа или поверхность тестовых заготовок имеют температуру меньшую, чем температура точки росы (tр) при данных условиях.
Конденсацию пара на стенках можно практически предотвратить сделав достаточной теплоизоляцию стенок расстойного шкафа. Напротив, конденсация пара на поверхности тестовых заготовок является неотемлемой частью технологического процесса растойки тестовых заготовок, напрямую влияющей на качество готовой продукции, и происходит в первой половине процесса расстойки, до момента достижения поверхностью тестовых заготовок температуры точки росы. В свою очередь, температура точки росы зависит от влажности и температуры воздуха в камере расстойного шкафа. Таким образом, математическое описание потерь пара на конденсацию не представляется возможным.
Из всего выше изложенного становится ясно, что полная математическая моджель на пригодна для написания по ней алгоритма программы и самой программы для ЭВМ с целью моделирования процессов протекающих в расстойном шкафу и выбора параметров системы управления, удовлетворяющих заданным требованиям.
Разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу
Сведения из теории термодинамики и теплопередачи
Разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу производится по законам термодинамики и теплопередачи (теплообмена).
В учении о теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отличаются большой сложностью и обычно развиваются в виде комплекса разнородных явлений.
Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой. Теплопроводность представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты.
Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс распространяется по всему телу. То есть теплороводность представляет процесс распространения энергии между частицами тела, находящимися друг с другом в соприкосновении и имеющими различные температуры. Например, если нагревать один конец железного стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размеров, а также от разности температур между различными частями тела. При определении переноса теплоты теплопроводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике до сих пор не решены. Эти трудности состоят в том, что тепловые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой зависят от температуры и изменяются по объему; кроме того, трудности возникают с увеличением сложности конфигурации системы.
Теплопроводность l (или коэффициент теплопроводности) характеризует способность данного вещества проводить теплоту.
Q = (T2 - T1)ґlґS/d - тепловой поток через плоские стенки, где d - толщина стенки, S - площадь поверхности стенки, (Т2 - Т1) - разность температур на поверхностях стенки.
Второй вид перноса теплоты - ковекция - происходит только в газах и жидкостях. Этот вид переноса осуществляется при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. Конвекционный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорость движения жидкости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменомобменом; он может быть вынужденным и свободным. Если движение рабочего тела вызвано искуственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если же движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным (естественным) конвективным теплообменом.
В большинстве случаев перенос теплоты осуществляется несколькими способами, хотя часто одним или даже двумя способами пренебрегают ввиду их относительно небольшого вклада в сумммарный сложный теплоперенос.
При расчете теплопередачи конвекцией между твердым телом и газом (жидкостью) используют выражение
Qконв = (T2 - T1)ґaґS,
где a - коэффициент теплоотдачи от твердого тела к газу,
S - площадь поверхности омываемого твердого тела,
Т2 и Т1 - температуры тела и газа.
При расчете теплопередачи через плоскую стенку используют следующее выражение
Qконв = (T2 - T1)ґkґS,
где k - коэффициент теплопередачи (характеризуе интенсивность теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку);
S - площадь поверхности стенки;
(Т2 - Т1) - разность температур на поверхностях стенки.
Коэффициент теплопередачи расчитывается по формуле
,
где d - толщина стенки;
l - коэффициент теплопроводности стенки;
a1 - общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенки;
a2 - общий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки .
Общие коэффициенты теплоотдачи методически оцениваются одинаково - как сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией (aкон) и излучением (aизл):
aобщ = aкон + aизл .
Для расчета теплоты, необходимой для нагрева тел, пользуются формулой теплоемкости:
Q = c ґ m ґ DТ,
где с - коэффициент теплоемкости тела;
m - масса тела;
DТ - разность начальной и конечной температур тела.
Модель поддержания заданной температуры
Во время работы расстойного шкафа в его камере протекают сложные теплообменные процессы.
Основным источником тепла в расстойном шкафу являются нагревательные элементы (ТЭНы), находящиеся в потоке воздуха, циркуляция которого обеспечивается циркуляционным насосом. Подогретый воздух передает тепловую энергию тестовым заготовкам, прогревая их. Одновременно часть энергии расходуется на прогрев тележек, а часть энергии теряется за счет теплопередачи через стенки расстойного шкафа. При работе системы поддержания заданной влажности вместе с паром в камеру расстойного шкафа также попадает энергия. Следовательно, уравнение теплового баланса расстойного шкафа выглядит следующим образом:
Qвозд = Qтэн + Qпара - Qтеста - Qтел - Qст ,
где Qвозд - теплота затрачиваемая на прогрев воздуха;
Qтэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;
Qпара - количество теплоты, вносимое в камеру расстойного шкафа вместе с паром, необходимым для поддержания в камере расстойного шкафа заданного уровня относительной влажности воздуха;
Qтеста - количество теплоты, идущее на прогрев теста;
Qтел - количество теплоты, идущее на прогрев тележек;
Qст - потеря тепла через стенки.
Теплота, затрачиваемая на прогрев воздуха, может быть описана как:
Qвозд = cвозд ґmвозд ґ(dTвозд/dt),
где cвозд - теплоемкость воздуха:
cвозд = (св + cп ґ dв/1000),
где св - теплоемкость сухого воздуха;
сп - теплоемкость перегретого пара;
dп - влагосодержание воздуха.
Так как влагосодержание влажного воздуха зависит от его температуры и влажности, то и теплоемкость влажного воздуха зависит от этих параметров.
mвозд - масса воздуха в расстойном шкафу;
mвозд = rвозд ґ Vвозд ,
где rвозд - плотность влажного воздуха в камере расстойного шкафа;
Vвозд - объем воздуха в камере расстойного шкафа.
dTвозд/dt - скорость изменения температуры воздуха.
Откуда:
Тепловой поток с поверхности ТЭНов описывается с помощью уравнения конвективной теплопередачи:
Qтэн = aтэнґSтэнґ(Ттэн - Твозд),
где aтэн - коэффициент теплоотдачи ТЭНов;
Sтэн - площадь поверхности ТЭНов;
Ттэн - температура ТЭНов;
Твозд - температура циркулирующего воздуха.
При этом, излишки энергии ТЭНов идут на изменение их температуры:
,
где dT/dt - скорость изменения температуры ТЭНов;
Ртэн - мощность ТЭНов;
Qтэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;
cтэн - теплоемкость материала ТЭНов;
mтэн - масса ТЭНов.
В связи с тем, что в процессе расстойки необходимо поддерживать заданную температуру, ТЭНы включены только пока температура воздуха в камере расстойного шкафа меньше заданной. Как только температура воздуха превышает заданный предел на допустимую величину, система управления подает сигнал на отключение ТЭНов. При этом Ртэн = 0. При падении температуры за нижний предел система управления подает сигнал на включение ТЭНов. При этом Ртэн = Ртэн зад , где Ртэн зад - номинальная мощность ТЭНов.
Тепловой поток, вносимый с паром, расчитывается по формуле:
Qпара = (Ртен вл / r) ґ hп,
где Ртен вл - мощность ТЭНов, используемых для подогрева и испарения воды, с целью увлажнения воздуха в расстойном шкафу;
r - теплота парообразования воды;
hп - удельная энтальпия насыщенного пара.
Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками и используемый для их прогрева, может быть описан формулой конвективного теплообмена:
Qтеста = aтеста ґ Sтеста ґ (Твозд - Ттеста),
где aтеста - коэффициент теплоотдачи поверхности тестовых заготовок;
Sтеста - площадь поверхности тестовых заготовок;
Ттеста - температура тестовых заготовок, скрость изменения которой, с учетом того, что при расстойке в тестовых заготовках выделяется энергия Qтеста выд, составляет:
,
где cтеста - теплоемкость тестовых заготовок;
mтеста - масса тестовых заготовок.
Аналогично, тепловой поток, получаемый тележками и используемый для их прогрева, также может быть описан формулой конвективного теплообмена:
Qтел
= aтел
ґ Sтел
ґ (Твозд
-
29-04-2015, 04:11