Оборудование минипекарень (стр. 6 из 10)
где eст - степень черноты стенок:
eст = 0,9;
Тст - температура стенок, ° С;
dст - постоянная Стефана-Больцмана:
dст = 5,67 Вт/(м2´К4).
Исходя из того, что температура на внутренней и внешней поверхности стенок расстойного шкафа является неизвестной величиной, принимаем в первом приближении:
a1 = a2 = 10 Вт/(м2´гр);
Тогда коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа составит:
откуда
Qст = 2 ´ ( 40 - 20 ) ´ 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
nвозд = 16,96´10-6 м2/c ,
получим:
Тогда:Nu1=0,15´(Gr1´Pr1)1/3=0,15´(2,7596´109´0,699)1/3=186,724
Откуда, учитывая, что при T = 40°С
lвозд = 2,756´10-2 Вт/(м´гр),
получим
aкон1 = Nu1´lвозд/hст=186,724´2,76´10-2/1,85 = 2,79 Вт/(м2´гр)
Значение коэффициента теплоотдачи излучением:
Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенок расстойного шкафа составляет
a1 = aкон1 + aизл1 = 2,79 + 6,14 = 8,93 Вт/(м2´гр).
Аналогично, для внешней поверхности стенок расстойного шкафа:
Pr1 = 0,703 (при T = 20 ° С)
Учитывая, что при T = 20°С
nвозд = 15,06´10-6 м2/c ,
получим:
Тогда:Nu2=0,15´(Gr2´Pr2)1/3=0,15´(3,7388´109´0,703)1/3=207
Откуда, учитывая, что при T = 20°С
lвозд = 2,59´10-2 Вт/(м´гр),
получим
aкон2 = Nu2´lвозд/hст=207´2,59´10-2/1,85 = 2,898 Вт/(м2´гр)
Значение коэффициента теплоотдачи излучением:
Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок расстойного шкафа составляет
a2 = aкон2 + aизл2 = 2,898 + 5,24 = 8,14 Вт/(м2´гр).
Коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа во втором приближении составит:
откуда потери теплоты через стенки расстойного шкафа:
Qст = 1,87 ´ ( 40 - 20 ) ´ 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:
dт’ = 100 ´ ( 36 - 35,8 )/ 36 = 0,6%;
dт’ = 100 ´ ( 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 Тр:
Т’cт> Тр.
Для оптимальных (расчетных параметров) расстойки - температуры парогазовой среды 40 °С и относительной влажности 75%, согласно данным таблиц, температура точки росы
Тр = 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
Кст = kcт´ Sст = 1,87 ´ 9,73 = 18,2 Вт/гр,
запишется как
Qст = 18,2 ´ (Твозд - Тос),
где Тос - температура окружающей среды.
Система дифференциальных уравнений
Таким образом, для моделирования работы системы управления расстойным шкафом необходимо решить систему дифференциальных уравнений:
DT = Tзад - Tвозд - сигнал рассогласования;
;Qтэн = 3,6568 ´ (Ттэн - Твозд);
dTтэн/dt = (2000 - Qтэн)/(470 ´ 0,4);
Qтеста = 148,8 ´ (Твозд - Ттеста);
dTтеста/dt = (Qтеста + 100)/( 3000 ´ 120);
Qтел = 42 ´ (Твозд - Ттел);
dTтел/dt = Qтел / (500 ´ 50);
Qст = 18,2 ´ (Твозд - Тос);
Qвозд = Qтэн - Qтеста - Qтел - Qст ;
dTвозд/dt = Qвозд /(1079´2,22).
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. рис.4.1, рис.4.2 и 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.
Делаем вывод, что упрощенная математическая модель может быть с успехом использована для расчета параметров работы расстойного шкафа и его системы управления.
Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом
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
Конструктивные элементы
Герметичная металлическая емкость ;
Верхняя крышка;
Крышка ТЭНов;
Крышка датчиков уровня воды;
Нагревательные элементы (ТЭНы)
ТЭН подогрева воздуха;
ТЭН подогрева воды;
Элементы систем подачи и слива воды
Фильтр поступающей воды;
Электроклапан подачи воды;
Электроклапан подачи воды для очистки от накипи;
Наливные и сливные трубопроводы;
Сливной насос;
Элементы системы циркуляции влажного воздуха
Циркуляционный вентилятор;
Приводной мотор циркуляционного вентилятора (асинхронный трехфазный двигатель 4АМ80Л4);
Воздуховод;
Датчики
Датчик температуры циркулирующего воздуха;
Датчик относительной влажности циркулирующего воздуха;
Датчик предельно допустимой температуры ТЭНов;
Датчики уровня воды
Датчик максимального уровня воды;
Датчик минимального уровня воды, при котором начинается ее доливка;
Датчик опасного, вследствие оголения ТЭНов поддержания влажности, уровня воды;
Блок электронной системы автоматического управления
Автоматический отключатель;
Предохранители;
Преобразователь частоты ACS 301-2P1-3 фирмы АББ;
Система автоматического управления;
Реле включения ТЭНов
Реле включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
Реле включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;
Трансформатор для питания мотора сливного насоса;
Задатчики
Задатчик скорости вращения циркуляционного вентилятора;
Задатчик допуска поддерживаемой температуры;
Разъемы
Разъем питания;
Разъем датчиков;
Разъем панели управления;
Разъем сервисный, служащий для наладки, контроля и поиска неисправности в системе управления расстойным шкафом;
Панель управления
Выключатели
Выключатель питания;
Выключатель управления;
Задатчики
Здатчик температуры;
Задатчик влажности;
Индикатор температуры;
Индикаторные лампы
Лампа включения питания;
Лампа возникновения неисправности;
Лампа включения сливного насоса;
Лампа включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;
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.