Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологического оборудования минипекарень

паром, не учитывается. Это возможно благодаря допущению о полном отсутствии конденсации в установившемся режиме работы расстойного шкафа.

Камера расстойного шкафа считается абсолютно герметичной.

Давление воздуха в камере расстойного шкафа постоянное (p=const).

Рассматривается нагрев и охлаждение термически тонких тел ( a << l ¤ d ).

Система поддержания влажности не рассматривается.

Уравнение теплового баланса расстойного шкафа

Уравнение теплового баланса расстойного шкафа:

Q_возд = Q_тэн - Q_теста - Q_тел - Q_ст,

где Q_возд - теплота затрачиваемая на прогрев воздуха;

Q_тэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;

Q_теста - количество теплоты, идущее на прогрев теста;

Q_тел - количество теплоты, идущее на прогрев тележек;

Q_ст - потеря тепла через стенки.

Распишем все составляющие этого уравнения.

Теплота, затрачиваемая на прогрев воздуха

может быть описана как:

Q_возд = c_возд ґ m_воздґ (dT_возд/ dt),

откуда:

где dT_возд/dt - скорость изменения температуры воздуха.

c_возд - теплоемкость воздуха:

c_возд = (с_в + c_п ґ d_в/1000),

где с_в - теплоемкость сухого воздуха, при температуре 40°С : с_в = 1005 Дж/(кгґгр);

с_п- теплоемкость перегретого пара:

с_п= 2000 Дж/(кгґгр);

d_п - влагосодержание воздуха, при температуре 40°С и относительной влажности 75% оно равно:

d_п = 36,9 г/кг;

Таким образом:

c_возд= (1005+2000ґ36,9/1000) =1079 Дж/(кгґгр); m_возд - масса воздуха в расстойном шкафу;

m_возд = r_возд ґ V_возд ,

где r_возд - плотность влажного воздуха в камере расстойного шкафа, при температуре 40°С и относительной влажности 75%:

r_возд = 1,11 кг/м³;

V_возд - объем воздуха в камере расстойного шкафа:

V_возд = 2 м³; (Лен)

Таким образом:

m_возд = 1,11 ґ 2 = 2,22 кг; (Лен)

Тепловой поток с поверхности ТЭНов

описывается с помощью уравнения конвективной теплопередачи:

Q_тэн = К_тэн ґ (Т_тэн- Т_возд),

где Т_тэн- температура ТЭНов;

Т_возд- температура циркулирующего воздуха.

К_тэн - коэффициент, расчитываемый по формуле:

К_тэн = a_тэн ґ S_тэн ,

где S_тэн- площадь поверхности ТЭНов:

S_тэн= l_тэн ґ p ґ d_тэн ,

где l_тэн - длина ТЭНов;

d_тэн - диаметр ТЭНов,

Откуда:

S_тэн= 2 ґ p ґ 0,006 = 0,0377 м²;

a_тэн- коэффициент теплоотдачи ТЭНов. Данный коэффициент расчитывается по критериальному уравнению:

Nu = 0,238 ґ Re_f^0,6 ,

где Re_f - число Рейнольдса, вычисляемое:

Re_f = u ґ d_тэн / n,

где u - скорость потока воздуха:

u = 5 м/c

d_тэн - диаметр ТЭНов - их определяющий размер:

d_тэн = 0,006 м;

n - коэффициент кинематической вязкости, для воздуха при температуре 40°С :

n = 16,96 ґ 10^-6 м²/с.

Таким образом:

Re_f = 5 ґ 0,006 / 16,96ґ10^-6 = 1769,

Следовательно:

Nu = 0,238 ґ 1769^0,6 = 21,15 ,

Откуда:

a_тэн = Nu ґ l / d_тэн ,

где l - коэффициент теплопроводности воздуха, при температуре 40°С:

l = 2,76ґ10^-2 Вт/(мґгр),

Значит:

a_тэн = 21,15 ґ 2,76ґ10^-2 / 0,006 = 97 Вт/(м²ґ гр).

Таким образом:

К_тэн = 97 ґ 0,0377 = 3,6568 Вт/гр

Q_тэн = 3,6568 ґ (Т_тэн- Т_возд).

При этом, излишки энергии ТЭНов идут на изменение их температуры: ,

где dT/dt - скорость изменения температуры ТЭНов;

Р_тэн - мощность ТЭНов.

P_тэн = 2000 Вт

Обоснование выбора такой мощности ТЭНов приведено в разделе 6

Q_тэн - тепловой поток с поверхности ТЭНов;

c_тэн - теплоемкость материала ТЭНов, для ТЭНов изготовленных из кантала А-1:

c_тэн = 470 Дж/(кгґгр);

m_тэн - масса ТЭНов:

m_тэн = r_тэн ґ l_тэн ґ p ґ d_тэн² / 4 ,

где l_тэн = 2 м - длина ТЭНов;

d_тэн = 0,006 м - диаметр ТЭНов,

r_тэн = 7100 кг/м³;

Откуда:

m_тэн = 7100 ґ 2 ґ p ґ (0,006)² / 4 = 0,4 кг,

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 величину допустимого отклонения, система управления подает сигнал на отключение ТЭНов. При этом Р_тэн = 0. При падении температуры за нижний предел система управления подает сигнал на включение ТЭНов. При этом Р_тэн = Р_{тэн
зад} , где Р_{тэн
зад} - номинальная мощность ТЭНов.

Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками

Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками и используемый для их прогрева, может быть описан формулой конвективного теплообмена:

Q_теста = К_теста ґ (Т_возд - Т_теста),

где К_теста = a_теста ґ S_теста ,

где S_теста - площадь поверхности тестовых заготовок:

S_теста = 2ґ10ґ0,45ґ0,66 = 6 м²;

a_теста - коэффициент теплоотдачи поверхности тестовых заготовок, расчитывается по экспериментальной критериальной формуле:

Nu = 0,216 ґ Re^0,8,

где Re - число Рейнольдса, вычисляемое по формуле:

Re = u ґ l_тест / n,

где u - скорость потока воздуха:

u = 0,4 м/c

l_тест - определяющий размер тестовых заготовок:

l_тест = 0,25 м;

n - коэффициент кинематической вязкости, для воздуха при температуре 40°С :

n = 16,96 ґ 10^-6 м²/с.

Таким образом:

Re = 0,4 ґ 0,25 / 16,96ґ10^-6 = 5900,

Следовательно:

Nu = 0,216 ґ 5900^0,8 = 224,46 ,

Откуда:

a_теста = Nu ґ l / l_тест ,

где l - коэффициент теплопроводности воздуха, при температуре 40°С:

l = 2,76ґ10^-2 Вт/(мґгр),

Значит:

a_теста = 224,46 ґ 2,76ґ10^-2 / 0,25 = 24,8 Вт/(м²ґ гр).

Таким образом:

К_теста = 24,8 ґ 6 = 148,8 Вт/гр

Q_теста = 148,8 ґ (Т_возд- Т_теста),

где Т_теста - температура тестовых заготовок, скорость изменения которой, с учетом того, что при расстойке в тестовых заготовках выделяется энергия Q_{теста выд}, составляет:

где c_теста - теплоемкость тестовых заготовок:

c_теста = 3000 Дж/(кгґгр)

m_теста - масса тестовых заготовок:

m_теста = n_{тест заг}ґ m_{тест заг} ,

где n_{тест заг}=120 шт. - число тестовых заготовок;

m_{тест
заг} = 0,46 кг - масса тестовой заготовки;

Откуда: m_теста = 120 ґ 0,46 = 55,2 кг,

Тепловой поток, получаемый тележками

Аналогично, тепловой поток, получаемый тележками и используемый для их прогрева, также может быть описан формулой конвективного теплообмена:

Q_тел = К_тел ґ (Т_возд - Т_тел),

где К_тел = a_тел ґ S_тел ,

где S_тел - площадь поверхности тележек:

S_тел = 2ґ2ґ10ґ0,45ґ0,66 + 2ґ4ґ4ґ0,02ґ1,8 = 7 м²;

a_тел - коэффициент теплоотдачи поверхности тележек, расчитывается по экспериментальной критериальной формуле:

Nu = 0,064 ґ Re^0,8,

где Re - число Рейнольдса, вычисляемое по формуле: Re = u ґ l_тел / n,

где u - скорость потока воздуха:

u = 0,4 м/c

l_тел - определяющий размер тележек:

l_тел = 0,66 м;

n - коэффициент кинематической вязкости, для воздуха при температуре 40°С :

n = 16,96 ґ 10^-6 м²/с.

Таким образом:

Re = 0,4 ґ 0,66 / 16,96ґ10^-6 = 15566,

Следовательно:

Nu = 0,064 ґ 15566^0,8 = 144,52 ,

Откуда:

a_тел = Nu ґ l / l_тел ,

где l - коэффициент теплопроводности воздуха, при температуре 40°С:

l = 2,76ґ10^-2 Вт/(мґгр),

Значит:

a_тел = 144,52 ґ 2,76ґ10^-2 / 0,66 = 6 Вт/(м²ґ гр).

Таким образом:

К_тел = 6 ґ 7 = 42 Вт/гр

и Q_тел = 42 ґ (Т_возд- Т_тел),

где Т_тел - температура тележек, скорость изменения которой:

где c_тел - теплоемкость тележек:

c_тел = 500 Дж/(кгґгр);

m_тел - масса тележек:

m_тел = 50 кг.

Потери теплоты через стенки расстойного шкафа

рассчитываются по уравнению теплопередачи:

Q_ст = К_ст ґ (Т_возд - Т_ос),

где Т_ос - температура окружающей среды.

К_ст = k_cт ґ S_ст ,

где S_ст - площадь стенок камеры расстойного шкафа:

S_ст = (1,85ґ(1,4+0,7)+1,4ґ0,7)ґ2 = 9,73 м²;

k_ст - коэффициент теплопередачи через стенки:

где d_ст - толщина стали стенок расстойного шкафа:

d_ст = 0,001 м;

d_утепл - толщина утеплителя:

d_утепл = 0,03 м;

l_ст - коэффициент теплопроводности стальных стенок расстойного шкафа:

l_ст = 45 Вт/(мґгр);

l_утепл - коэффициент теплопроводности утеплителя:

l_утепл = 0,1 Вт/(мґгр);

a₁ - общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенок расстойного шкафа;

a₂ - общий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок расстойного шкафа.

Общие коэффициенты теплоотдачи методически оцениваются одинаково - как сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией (a_кон) и излучением (a_изл),

a_общ = a_кон + a_изл ,

где первая составляющая:

a_кон = Nu ґ l / h_ст ,

где l - коэффициент теплопроводности воздуха;

h_ст - определяющий размер стенок камеры расстойного шкафа - их высота:

h_ст = 1,85 м;

Nu - коэффициент подобия Нуссельта:

Для омывания газами вертикальных поверхностей:

Nu = 0,15ґ(Gr_воздґPr_возд)^1/3,

где Pr - число Прандтля характеризует собой свойства среды;

Gr = bґgґh_ст³ґDt/n² - число Грасгофа,

где g - ускорение свободного падения;

Dt - температурный перепад между средой и омываемой ею поверхностью;

b - функция, связывающая изменение плотности среды с температурой. Для газов можно принять:

b = 1/T;

n - коэффициент кинематической вязкости среды.

вторая составляющая общего коэффициента теплоотдачи:

где e_ст - степень черноты стенок:

e_ст = 0,9;

Т_ст - температура стенок, ° С;

d_ст - постоянная Стефана-Больцмана:

d_ст = 5,67 Вт/(м₂ґК⁴).

Исходя из того, что температура на внутренней и внешней поверхности стенок расстойного шкафа является неизвестной величиной, принимаем в первом приближении:

a₁ = a₂ = 10 Вт/(м²ґгр);

Тогда коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа составит:

откуда

Q_ст = 2 ґ ( 40 - 20 ) ґ 9,73 = 390 Вт.

При этих данных температура на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа составит

аналогично, на наружной поверхности

Во втором приближении:

Для внутренней поверхности стенок:

Pr₁= 0,699 (при T = 40 ° С)

Учитывая, что при T = 40°С

n_возд= 16,96ґ10^-6 м²/c ,

получим:

Тогда:

Nu₁=0,15ґ(Gr₁ґPr₁)^1/3=0,15ґ(2,7596ґ10⁹ґ0,699)^1/3=186,724

Откуда, учитывая, что при T = 40°С

l_возд = 2,756ґ10^-2 Вт/(мґгр),

получим

a_кон1 = Nu₁ґl_возд/h_ст=186,724ґ2,76ґ10^-2/1,85 = 2,79 Вт/(м²ґгр)

Значение коэффициента теплоотдачи излучением:

Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенок расстойного шкафа составляет

a₁ = a_кон1 + a_изл1 = 2,79 + 6,14 = 8,93 Вт/(м²ґгр).

Аналогично, для внешней поверхности стенок расстойного шкафа:

Pr₁= 0,703 (при T = 20 ° С)

Учитывая, что при T = 20°С

n_возд= 15,06ґ10^-6 м²/c ,

получим:

Тогда:

Nu₂=0,15ґ(Gr₂ґPr₂)^1/3=0,15ґ(3,7388ґ10⁹ґ0,703)^1/3=207

Откуда, учитывая, что при T = 20°С

l_возд = 2,59ґ10^-2 Вт/(мґгр),

получим

a_кон2 = Nu₂ґl_возд/h_ст=207ґ2,59ґ10^-2/1,85 = 2,898 Вт/(м²ґгр)

Значение коэффициента теплоотдачи излучением:

Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенок расстойного шкафа составляет

a₁ = a_кон1 + a_изл1 = 2,898 + 5,24 = 8,14 Вт/(м²ґгр).

Коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа во втором приближении составит:

откуда потери теплоты через стенки расстойного шкафа:

Q_ст = 1,87 ґ ( 40 - 20 ) ґ 9,73 = 363,8 Вт.

При этих данных температура на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа составит

аналогично, на наружной поверхности

Степень расхождения между первым и вторым приближениями для каждой из этих температур:

d_т’ = 100 ґ ( 36 - 35,8 )/ 36 = 0,6%;

d_т’ = 100 ґ ( 24,6 - 24 )/ 24 = 2,5%.

Это допустимо. В этой связи результаты второго приближения принимаем за окончательные.

Для них выполним проверку на наличие или отсутствие конденсации пара из парогазовой среды на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа. Во избежание нежелательной конденсации пара необходимо, чтобы температура на внутренней поверхности стенок Т’_cт превышала температуру точки росы Т_р:

Т’_cт > Т_р.

Для оптимальных (расчетных параметров) расстойки - температуры парогазовой среды 40 °С и относительной влажности 75%, согласно данным таблиц, температура точки росы

Т_р = 34,5°С.

Отсюда следует, что в нашем случае конденсация пара на внутренней поверхности стенок в установившемся режиме работы расстойного шкафа отсутствует.

Окончательная формула потери теплоты через стенки расстойного шкафа, с учетом того что

К_ст = k_cт ґ S_ст = 1,87 ґ 9,73 = 18,2 Вт/гр,

запишется как

Q_ст = 18,2 ґ (Т_возд - Т_ос),

где Т_ос - температура окружающей среды.

Система дифференциальных уравнений

Таким образом, для моделирования работы системы управления расстойным шкафом необходимо решить систему дифференциальных уравнений:

DT = T_зад - T_возд;

;

Q_тэн = 3,6568 ґ (Т_тэн- Т_возд);

dT_тэн/dt = (2000 - Q_тэн)/(470 ґ 0,4);

Q_теста = 148,8 ґ (Т_возд- Т_теста);

dT_теста/dt = (Q_теста + 100)/( 3000 ґ 120);

Q_тел = 42 ґ (Т_возд- Т_тел);

dT_тел/dt = Q_тел / (500 ґ 50);

Q_ст = 18,2 ґ (Т_возд - Т_ос);

Q_возд = Q_тэн - Q_теста - Q_тел - Q_ст;

dT_возд/dt = Q_возд /(1079ґ2,22).

Расчет и идентификация процессов протекающих в расстойном шкафу

Для расчета термодинамических процессов происходящих в камере расстойного шкафа при расстойке тестовых заготовок, а также для выбора параметров СУ обеспечивающих заданный режим, была разработана программа для ЭВМ, моделирующая работу системы управления расстойным шкафом. Блок-схема данной программы приведена на чертеже, а текст программы приведен в Приложении 1. По результатом работы программы были построены переходный процесс и фазовый портрет (см. графики). При этом мощность ТЭНов и допуск на отклонение температуры воздуха в камере расстойного шкафа от заданного значения были выбраны исходя из результатов исследований, изложенных в разделе 6. Из графика переходного процесса видно, что, после выхода в установившийся режим, температура циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха поддерживается на заданном уровне, не выходя за пределы заданного допуска, а температура поверхности тестовых заготовок достигает заданной к окончанию времени расстойки. Это говорит о правильности расчетов и верности выбора параметров СУ.

Также была проведена идентификация разработанной модели СУ расстойного шкафа с работающим образцом. Отклонения параметров работы модели от образца оказались небольшими, что указывает на правильный выбор допущений и упрощений, сделанных в процессе разработки данной модели.

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

Исходя из требований, предъявляемых к системе управления расстойным шкафом, входящим в состав минипекарни, в данном дипломе была выбрана следующая конструкция СУ, представленная на чертежах.

В состав данной системы управления входят следующие элементы:

Блок подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха
1. Конструктивные элементы
  1. Герметичная металлическая емкость ;
  2. Верхняя крышка;
  3. Крышка ТЭНов;
  4. Крышка датчиков уровня воды;
2. Нагревательные элементы (ТЭНы)
  1. ТЭН подогрева воздуха;
  2. ТЭН подогрева воды;
3. Элементы систем подачи и слива воды
  1. Фильтр поступающей воды;
  2. Электроклапан подачи воды;
  3. Электроклапан подачи воды для очистки от накипи;
  4. Наливные и сливные трубопроводы;
  5. Сливной насос;
4. Элементы системы циркуляции влажного воздуха
  1. Циркуляционный вентилятор;
  2. Приводной мотор циркуляционного вентилятора (асинхронный трехфазный двигатель);
  3. Воздуховод;
5. Датчики
  1. Датчик температуры циркулирующего воздуха;
  2. Датчик относительной влажности циркулирующего воздуха;
  3. Датчик предельно допустимой температуры ТЭНов;
  4. Датчики уровня воды
    1. Датчик максимального уровня воды;
    2. Датчик минимального уровня воды, при котором начинается ее доливка;
    3. Датчик опасного, вследствие оголения ТЭНов поддержания влажности, уровня воды;
Блок электронной системы автоматического управления
1. Автоматический отключатель;
2. Предохранители;
3. Преобразователь частоты;
4. Система автоматического управления;
5. Реле включения ТЭНов
  1. Реле включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  2. Реле включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;
6. Трансформатор для питания мотора сливного насоса;
7. Задатчики
  1. Задатчик скорости вращения циркуляционного вентилятора;
  2. Задатчик допуска поддерживаемой температуры;
8. Разъемы
  1. Разъем питания;
  2. Разъем датчиков;
  3. Разъем панели управления;
  4. Разъем сервисный, служащий для наладки, контроля и поиска неисправности в системе управления расстойным шкафом;
Панель управления
1. Выключатели
  1. Выключатель питания;
  2. Выключатель управления;
2. Задатчики
  1. Здатчик температуры;
  2. Задатчик влажности;
3. Индикатор температуры;
4. Индикаторные лампы
  1. Лампа включения питания;
  2. Лампа возникновения неисправности;
  3. Лампа включения сливного насоса;
  4. Лампа включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  5. Лампа включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

При включении выключателя питания СУ расстойным шкафом запускает мотор циркуляционного вентилятора, который обеспечивает циркуляцию воздуха в камере расстойного шкафа. При этом на панели управления загорается лампа включения питания. Скорость вращения мотора циркуляционного вентилятора, влияющая на скорость циркуляции воздуха, задается с помощью задатчика скорости циркуляционного вентилятора и поддерживается с помощью преобразователя частоты. Одновременно происходит слив воды из блока подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха с последующим набором новой воды и переходом в режим очистки ТЭНов поддержания влажности от накипи, путем их кратковременного включения с непрекращающимся сливом и набором воды. Во время этой операции на панели управления горит лампа Слив/Очистка.

При включении выключателя управления СУ переходит в режим поддержания температуры и относительной влажности, заданных задатчиками температуры и влажности.

При недостаточной температуре циркулирующего воздуха в камере расстойного шкафа система управления выдает сигнал на включение ТЭНов поддержания температуры, которые, находясь в потоке циркулирующего воздуха, нагревают его, а он, в свою очередь, передает энергию тестовым заготовкам, расположенным на тележках в камере расстойного шкафа. О работе ТЭНов поддержания температуры воздуха информирует соответствующая лампа на панели приборов, горящая при включенных ТЭНах. При превышении температуры циркулирующего воздуха заданной с помощью задатчика температуры на панели управления на величину допуска, установленного задатчиком допуска на поддерживаемую температуру, система управления выдает сигнал на отключение ТЭНов поддержания температуры. Циркулирующий в камере расстойного шкафа воздух за счет потерь энергии через стенки и на прогрев тестовых заготовок и тележек начинает охлаждаться. При понижении его температуры до нижнего значения допуска, система управления выдает сигнал на включение ТЭНов подогрева воздуха. Таким образом обеспечивается поддержание заданной температуры циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха.

Поддержание относительной влажности циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха происходит аналогично. При недостаточной влажности система управления выдает сигнал на включение ТЭНов поддержания влажности, которые, находясь в воде, нагревают ее. При этом испарившаяся часть воды идет на увлажнение циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха. При достижении заданной с помощью задатчика относительной влажности на панели управления влажности воздуха система управления выдает сигнал на отключение, а при ее понижении (за счет конденсации) на величину допуска - на включение ТЭНов поддержания влажности. О работе ТЭНов поддержания относительной влажности воздуха в камере расстойного шкафа информирует соответствующая лампа на панели приборов, горящая при включенных ТЭНах. Уровень воды в блоке увлажнения и нагрева поддерживается автоматически.

Система управления обеспечивает безопасность работы расстойного шкафа. Для предотвращения последствий коротких замыканий электрические цепи питания снабжены автоматическими отключателями и предохранителями. Для предотвращения поражения обслуживающего персонала пекарни электротоком выполнено защитное зануление. Для предотвращения перегрева ТЭНов поддержания температуры предусмотрен датчик допустимой температуры данных ТЭНов, а для предотвращения перегрева ТЭНов поддержания влажности предусмотрен датчик контроля минимально допустимого уровня воды в блоке подогрева и увлажнения. При любой неисправности система управления отключает все работающие устройства и подает сигнал путем зажигания на панели управления лампы неисправности.

Расчет параметров СУ, обеспечивающих заданный режим

Выбор мощности ТЭНов

Мощность ТЭНов в системе управления расстойным шкафом должна удовлетворять следующим условиям:

Должен быть обеспечен быстрый выход в установившийся режим работы расстойного шкафа;
Периодичность циклов включения-выключения ТЭНов не должна быть очень высокой и слишком низкой;
Допустимая температура нагрева ТЭНов не должна превышаться.

Путем перебора нескольких значений мощности ТЭНов поддержания температуры воздуха в камере расстойного шкафа и последующего расчета переходного процесса с помощью программы (см. Приложение 1) было выяснено, что оптимальной для данного объема камеры расстойного шкафа и заданного допуска на отклонение поддерживаемой температуры является мощность ТЭНов, равная

P_тэн =2000 Вт.

При такой мощности ТЭНов поддержания температуры воздуха процесс выхода в установившееся состояние занимает примерно 15 минут, периодичность циклов включения выключения составляет около 2-х минут, а перегрев ТЭНов выше максимально допустимой температуры не происходит.

Выбор мощности ТЭНов поддержания влажности воздуха в камере расстойного шкафа произведем из условия, что нагрев испаряемой воды с температуры начала расстойки до температуры кипения должен происходить не более чем за 5ё10 мин с начала процедуры расстойки:

T_тэн
вл = c_воды ґ m_воды ґ (100 - T₁)/t,

где c_воды - теплоемкость воды:

c_воды = 4200 Дж/(кгґгр);

m_воды - масса воды в блоке увлажнения и подогрева:

m_воды = 5 кг;

T₁ - температура воды в начале расстойки:

T₁ = 20°С.

Тогда:

T_тэн
вл = 4200 ґ 5 ґ (100 - 20)/ 450 = 3733 Вт.

Выбираем T_{тэн вл} = 4000 Вт.

Выбор допуска на отклонение температуры

При моделировании процессов в расстойном шкафу было выяснено, что необходимо выбирать допуск на отклонение поддерживаемой температуры от заданной, по границам которого система управления включает и выключает ТЭНы, меньше чем данный в задании. Это связано с тем, что при поддержании температуры в камере расстойного шкафа присутствуют большие запаздывания, вызванные характером моделируемого объекта. По результатам моделирования с различными допусками на отклонение температуры стало ясно, что оптимальным для данного случая является допуск на отклонение поддерживаемой температуры в 2 раза более строгий, чем данный в задании. Такой допуск обеспечивает невыход температуры за допустимые пределы и, в то же время, не делает слишком коротким цикл включения-выключения ТЭНов, что положительно сказывается на их ресурсе и ресурсе включающих их реле.

Расчет циркуляционного вентилятора

Подбор циркуляционного вентилятора осуществляется по его объемной производительности (V_цир) и напору (Н_цир).

Объемная производительность расчитывается по формуле:

V_цир = u_возд ґ f_шк / 2 ,

где u_возд - скорость движения воздуха в камере расстойного шкафа:

u_возд =0,4 м/c

f_шк - площадь живого сечения камеры расстойного шкафа:

f_шк = 1 м²,

тогда

V_цир = 0,4 ґ 1 / 2 = 0,2 м³/c.

Напор определяется путем аэродинамического расчета газового тракта циркулирующей среды по формуле:

Н_цир = 1,2 ґ е DP,

где DP - основные местные сопротивления:

DP = x ґ u_возд² ґ r_возд,

где x - коэффициент местного сопротивления;

r - плотность циркулирующего воздуха.

Расчет местных сопротивлений приведен в таблице 6.1

Таблица 6.1

Расчет местных сопротивлений

Номер участка	r_возд, кг/м³	u_возд, м/с	x	DP, Па
1	1.11	10	0.5	55.5
2	1.11	10	2.5	277.5
3	1.11	5	0.25	6.94
4	1.08	5	1.15	31.05
5	1.08	20	0.42	181.44
6	1.08	30	0.47	456.84
7	1.08	30	1.15	1117.8
8	1.08	30	1	972
9	1.11	0.4	2.3	0.41
Итого:				3099

Откуда:

Н_цир = 1,2 ґ 3099 = 3719 Па.

Этот напор при объемной производительности

V_цир = 0,2 м³/c

может обеспечить центробежный вентилятор с приводным мотором мощностью:

N_эл = V_цир ґ Н_цир / h_цир ,

где h_цир - КПД приводного двигателя циркуляционного вентилятора: h_цир = 0,75.

Тогда: N_эл = 0,2 ґ 3719 / 0,7 = 1000 Вт.

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

В состав данной системы управления входят следующие элементы:

Блок подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха
1. Конструктивные элементы
  1. Герметичная металлическая емкость ;
  2. Верхняя крышка;
  3. Крышка ТЭНов;
  4. Крышка датчиков уровня воды;
2. Нагревательные элементы (ТЭНы)
  1. ТЭН подогрева воздуха;
  2. ТЭН подогрева воды;
3. Элементы систем подачи и слива воды
  1. Фильтр поступающей воды;
  2. Электроклапан подачи воды;
  3. Электроклапан подачи воды для очистки от накипи;
  4. Наливные и сливные трубопроводы;
  5. Сливной насос;
4. Элементы системы циркуляции влажного воздуха
  1. Циркуляционный вентилятор;
  2. Приводной мотор циркуляционного вентилятора (асинхронный трехфазный двигатель);
  3. Воздуховод;
5. Датчики
  1. Датчик температуры циркулирующего воздуха;
  2. Датчик относительной влажности циркулирующего воздуха;
  3. Датчик предельно допустимой температуры ТЭНов;
  4. Датчики уровня воды
    1. Датчик максимального уровня воды;
    2. Датчик минимального уровня воды, при котором начинается ее доливка;
    3. Датчик опасного, вследствие оголения ТЭНов поддержания влажности, уровня воды;
Блок электронной системы автоматического управления
1. Автоматический отключатель;
2. Предохранители;
3. Преобразователь частоты;
4. Система автоматического управления;
5. Реле включения ТЭНов
  1. Реле включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  2. Реле включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;
6. Трансформатор для питания мотора сливного насоса;
7. Задатчики
  1. Задатчик скорости вращения циркуляционного вентилятора;
  2. Задатчик допуска поддерживаемой температуры;
8. Разъемы
  1. Разъем питания;
  2. Разъем датчиков;
  3. Разъем панели управления;
  4. Разъем сервисный, служащий для наладки, контроля и поиска неисправности в системе управления расстойным шкафом;
Панель управления
1. Выключатели
  1. Выключатель питания;
  2. Выключатель управления;
2. Задатчики
  1. Здатчик температуры;
  2. Задатчик влажности;
3. Индикатор температуры;
4. Индикаторные лампы
  1. Лампа включения питания;
  2. Лампа возникновения неисправности;
  3. Лампа включения сливного насоса;
  4. Лампа включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  5. Лампа включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

В состав данной системы управления входят следующие элементы:

Блок подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха
1. Конструктивные элементы
  1. Герметичная металлическая емкость ;
  2. Верхняя крышка;
  3. Крышка ТЭНов;
  4. Крышка датчиков уровня воды;
2. Нагревательные элементы (ТЭНы)
  1. ТЭН подогрева воздуха;
  2. ТЭН подогрева воды;
3. Элементы систем подачи и слива воды
  1. Фильтр поступающей воды;
  2. Электроклапан подачи воды;
  3. Электроклапан подачи воды для очистки от накипи;
  4. Наливные и сливные трубопроводы;
  5. Сливной насос;
4. Элементы системы циркуляции влажного воздуха
  1. Циркуляционный вентилятор;
  2. Приводной мотор циркуляционного вентилятора (асинхронный трехфазный двигатель);
  3. Воздуховод;
5. Датчики
  1. Датчик температуры циркулирующего воздуха;
  2. Датчик относительной влажности циркулирующего воздуха;
  3. Датчик предельно допустимой температуры ТЭНов;
  4. Датчики уровня воды
    1. Датчик максимального уровня воды;
    2. Датчик минимального уровня воды, при котором начинается ее доливка;
    3. Датчик опасного, вследствие оголения ТЭНов поддержания влажности, уровня воды;
Блок электронной системы автоматического управления
1. Автоматический отключатель;
2. Предохранители;
3. Преобразователь частоты ACS 301-2P6-1 фирмы АББ;
4. Система автоматического управления;
5. Реле включения ТЭНов
  1. Реле включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  2. Реле включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;
6. Трансформатор для питания мотора сливного насоса;
7. Задатчики
  1. Задатчик скорости вращения циркуляционного вентилятора;
  2. Задатчик допуска поддерживаемой температуры;
8. Разъемы
  1. Разъем питания;
  2. Разъем датчиков;
  3. Разъем панели управления;
  4. Разъем сервисный, служащий для наладки, контроля и поиска неисправности в системе управления расстойным шкафом;
Панель управления
1. Выключатели
  1. Выключатель питания;
  2. Выключатель управления;
2. Задатчики
  1. Здатчик температуры;
  2. Задатчик влажности;
3. Индикатор температуры;
4. Индикаторные лампы
  1. Лампа включения питания;
  2. Лампа возникновения неисправности;
  3. Лампа включения сливного насоса;
  4. Лампа включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
  5. Лампа включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологического оборудования минипекарень

Уравнение теплового баланса расстойного шкафа

Теплота, затрачиваемая на прогрев воздуха

Тепловой поток с поверхности ТЭНов

Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками

Тепловой поток, получаемый тележками

Потери теплоты через стенки расстойного шкафа

Система дифференциальных уравнений

Расчет и идентификация процессов протекающих в расстойном шкафу

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

Расчет параметров СУ, обеспечивающих заданный режим

Выбор мощности ТЭНов

Выбор допуска на отклонение температуры

Расчет циркуляционного вентилятора

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

Разделы сайта