Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 13

В связи с тем, что в печи разныеэлементы (садка, нагреватель, теплоизоляция) нагреваются до различнойтемпературы использование значений общей массы при определениипостоянной времени печи приводит к значительным погрешностям.Предлагается разбить ЭПС на элементы со сходными значениямитемпературы, а массу печи представить как сумму масс элементов mi сучетом отношения температурыэлемента к установившейся температурепечи :(4.5)Страница | 90В рамках эксперимента проводился нагрев печи без загрузки. Массанагревателя от общей массы печи составляет не более 2 %, поэтому в расчетеданным параметром также можно пренебречь.

В связи с этим при разбиениимассыпечинатеплопроводностиэлементычерезнеобходимомногослойнуюрешитьстенку.толькоТочностьзадачурасчетаприведенной массы печи зависит от количества элементов с единой среднейтемпературой внутри элемента. По формуле (4.5) приведенная масса печиравна 80 кг. Таким образом, постоянная времени печи определяется как:(4.6)что для рассматриваемой печи составит2278 c.Результатом моделирования является осциллограмма температуры отвремени(кривая 3, рис.4.4а), снятая на модели рис.4.3.

Как показываетанализ, рассчитанная «кривая разогрева» (кривая 3, рис.4.4а) такжезначительно отличается от экспериментальной (кривая 1, рис.4.4а).Рассчитаем время нагрева тела массой 80 кг с теплоемкостью282 Дж/(кг·0С), при подаче мощности 6930 Вт.кр(4.7)где – время нагрева;– температура окружающей среды;– температура нагрева.Таким образом, получается, что постоянная времени печи рассчитаннаяпредложенным способом, является по существу временем выхода печи нарежим.

Следовательно, постоянную времени для разного класса печейнеобходимо определять экспериментально.Страница | 91После ряда проведенных исследований наиболее точно отражает«кривую разогрева» печи СНО-3.3,5.3,5/9 модель с постоянной времени печиравной 911 с (кривая 4, рис.4.4а). В связи с этим, можно рекомендовать принастройке системы принимать эквивалентную постоянную времени печиравной 0,4 от постоянной времени печи, рассчитанной по формуле (4.6).(4.8)Для проверки этого соотношения было принято решение провестидополнительные эксперименты по нагреву печи СНО-3.3,5.3,5/9 с загрузкой.В качестве загрузки были выбраны кирпичи общей массой 7 кг. Средняятеплоемкость установки не изменилась, так как теплоемкость загрузкисоответствуеттеплоемкоститеплоизоляцииЭПС.Экспериментальная«кривая разогрева» печи СНО-3.3,3.3,3/9 с загрузкой представлена нарис.

4.4б (кривая 1).Примоделированиипечисзагрузкойизменилосьзначениеприведенной массы. Она увеличилась ровно на массу загрузки (7 кг), так какзагрузка прогревается до температуры в печи. Таким образом, общаяприведенная масса печи СНО-3.3,5.3,5/9 увеличилась на 8%. Как показываетэкспериментальная характеристика (кривая 1, рис.4.4б), время разогрева печис загрузкой составляет 46 минут, т.е. увеличилось на 20%.Рассчитанная по выше приведенной методике (постоянная времени 0,4от времени выхода печи на режим) «кривая разогрева» печи с загрузкой(кривая 2, рис.4.4б) соответствует экспериментальной. В связи с этимопределение постоянной времени по выражению (4.8) можно считатьоправданным.Какпоказаланализ,полученноезначениекорректирующегокоэффициента для постоянной времени печи, численно равное 0,4,сохраняетсяпрактическидлявсехобщепромышленныхпечейсопротивления, содержащих футеровку.Страница | 92В ходе проведенных исследований установлено:Представлениеэлектрическойпечисопротивления,являющейсянеоднородным объектом управления, в виде линейного инерционного звенапервого порядка правомерно при использовании для расчетного значенияпостоянной времени печи корректирующего коэффициента, численноравного 0,4.Рассчитанные по паспортным данным и скорректированные значенияпостоянной времени печи могут быть использованы для настройкирегулятора температуры на этапе проектирования.Для правильного расчета постоянной времени печи необходимоучитывать массу всех элементов печи приведенную к температуре икоэффициент постоянной времени печи равный 0,4.4.2.

Разработка программного пакета для расчета параметровпередаточной функции ЭПСРазработанный программный пакет "Transfer function calculation"зарегистрирован № 2015619106 [84]. Данный пакет позволяет: проводить расчет профиля температуры по толщине одно-, двух- итрехслойной футеровки, учитывая зависимости теплотехническихпараметров от температуры; проводитьрасчетмассыпечи,приведеннойктемпературе,коэффициента передачи и постоянной времени печи на основепаспортных данных.Программа написана в среде программирования visual basic .NET. В базупрограммызаложенызависимоститеплотехническихпараметровоттемпературы для следующих материалов: ПВП-280, Термоизол-1300,Термоизол - 1400, Термоизол - 1750, Пенокорунд, ШЛ-09, ШЛ-04, ШВП,Валокс-1750, Валокс-1650, ШБ, ША, ПЦП, МКРР-130, МКРВ-80, МКРВ-200,ИПМ, Керамоперлит, Мат минераловатный 125, БВП, КЛ-1,3, ШВП-350,ШВП-550.Результатамирасчетаявляютсявеличинамассыпечи,Страница | 93приведенной к температуре, коэффициент передачи и постоянная временипечи.Функциональные возможности программного пакета рассмотрим наследующем примере.Пример №1.Рассчитаем коэффициент передачи и постоянную времени для типовойэлектрической печи сопротивления камерного типа Rotorea KM 240/13 сноминальной температурой 1280 оС.Технические характеристикиэлектрическойпечисопротивленияRotorea KM 240/13 приведены в табл.

4.2.Таблица 4.2 – Технические характеристики ЭПС Rotorea KM 240/13ХарактеристикаЗначениеУстановленная мощность, Pном, кВт35Питающее напряжение, Uном, В220Количество фаз нагревателя1Материал нагревательных элементовKanthal A1Тип нагревательных элементовспирали, размещенные накерамических трубкахМаксимальная температура в печи, оС1280Габариты рабочей камеры (Ш-Г-В),мм600х800х500Внешние размеры (Ш-Г-В), мм1480х2130х20501 слой – теплоизоляционныйкирпич 25 nf1-76;Материал футеровки2 слой – материал Sibral 130/25;3 слой – теплоизоляционная плитаSilcal 1000/50.Страница | 94Таблица 4.3 – Параметры загрузкиМатериалТолщинаслоя, мм25 nf1-76Sibral130/25Silcal1000/50ТеплопроводностьТеплоемкостьabcabcПлотность,кг/м32760,1970,2230,0210,9050,1080,256720820,5500,0960,1061,0360,1880,286130820,0790,0690,0701,0740,1470,316255Нагревательные элементы представляют собой спирали, выпоненых изматериала Kanthal A1, размещенные на керамических трубках, которые, всвою очередь, помещены в колонны из огнеупорных бетонных блоков.Масса такого нагревателя от общей массы печи составляет не более2 %, поэтому в расчете данным параметром можно пренебречь.Определение постоянной времени и коэффициента передачи ЭПСпроведем в программе "Transfer function calculation".

В программепроводится дискретизация ЭПС на элементы со сходными значениямитемпературы, расчет температуры, теплоемкости и массы каждого элемента.Для ускорения вычислений и ввода данных, программа создает четырелокальные базы данных (БД).

Первые три БД - это базы параметров, вкоторые можно занести все параметры ЭПС, выводится БД вместе срасчетными окнами. Четвертая база данных – это база материалов, в которуюможно занести все параметры огнеупорного и теплоизоляционных слоев,выводится БД в отдельном окне (рис.4.5). В данном окне возможноредактирование параметров любого материала, занесённого в эту базуданных. Для удобства анализа теплофизических свойств материалов вданномокневозможнографическиизобразитьзависимостьтеплопроводности и теплоемкости от температуры.Страница | 95Рис.4.5. База материаловПри запуске программы на дисплей выводится окно, показанное нарис.4.6. В данном окне задается количество слоев футеровки, которое, какправило, указывается в паспорте ЭПС.Рис.4.6.

Главное окно программыВ данном случае, для печи Rotorea KM 240/13, в соответствии спаспортными данными, выбираем три слоя футеровки. После того какколичество слоев выбрано, необходимо нажать кнопку «Далее», и впоявившемся расчетном окне (рис.4.7) задать исходные данные: количествоэлементов ЭПС со сходными значениями температуры, количество итераций,геометрическиепараметрыЭПС,температуравпечи,температураокружающей среды, мощность ЭПС, масса загрузки, теплотехническиепараметры материалов футеровки и загрузки.Страница | 96Рис.4.7.

Пример расчета параметров передаточной функции ЭПСв программе "Transfer function calculation"Итогом расчета программы является определение коэффициентапередачиПи постоянной времениП,а также графическая зависимостьизменения температуры по толщине футеровки (рис.4.8). Вертикальнымилиниями на рис.4.8 отображены границы теплоизоляционных и огнеупорныхслоев.Рис.4.8. График распределения температуры по толщине футеровкиСтраница | 97В результате расчета программа создает три текстовых файла:1.«Общие данные.txt» – в данный текстовый файл сохраняютсяследующие данные: коэффициент передачи, постоянная времени ЭПС,удельный тепловой поток, масса элементов ЭПС со сходными значениямитемпературы, приведенная масса печи.2.«Приведенная масса – слои.txt» - данный текстовый файлсохраняется приведенная масса элементов ЭПС со сходными значениямитемпературы.3.«Температура – слои.txt» - в этом файле содержится средняятемпература каждого элемента ЭПС.В результате проведенного для ЭПС Rotorea KM 240/13 программногорасчета получаем:прив300,9 кг,Дж/(кг·0С),спривр3930 с.Полученные значения вводятся в модель на рис.4.9.Рис.4.9.

Модель ЭПС в среде Simulink MatlabРезультатом моделирования является осциллограмма температуры отвремени θ(τ) (рис.4.10), снятая на модели рис.4.9.Страница | 98Рис.4.10. Экспериментальная (кривая 1) и смоделированная (кривая 2)характеристики разогрева ЭПС Rotorea KM 240/134.3 Экспериментальное исследование температурных режимов ЭПСДля дальнейшего анализа проблем управления тепловыми режимамиЭПС необходимо снять ряд температурных зависимостей. С этой целью былавыбрана камерная ЭПС, располагаемая на кафедре АЭТУС, Rotorea KM240/13, с термопарой типа “S” и измерителем температуры фирмы Uni TrendUT325, имеющий два входа для термоэлектронных преобразователей.Футеровка печи выполнена трехслойной:1 слой - теплоизоляционный кирпич 25 nf1-76, максимальная рабочаятемпература которого составляет 1370°С.2 слой - материал Sibral 130/25 с максимальной рабочей температурой1260°С.3 слой - теплоизоляционная плита Silcal 1000/50, максимальная рабочаятемпература которой составляет 950°С.Нагревательные элементы представляют собой спирали, выпоненых изматериала Kanthal A1, размещенные на керамических трубках, которые, всвою очередь, помещены в колонны из огнеупорных бетонных блоков.