Способ управления тепловым режимом установки аэродинамического нагрева

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам управления тепловым режимом установок аэродинамического нагрева, и может быть использовано в установках для сушки длинномерных изделий. В способе, при котором осуществляют разогрев пространства рабочего канала до заданной температуры и поддержание ее в заданных пределах в течение заданного времени путем подачи электропитания к электродвигателю роторного нагревателя, вращение рабочего колеса роторного нагревателя и увеличение скорости его вращения с регулированием расхода подаваемого в рабочий канал разогреваемого газового теплоносителя за счет изменения скорости перемещения газового теплоносителя, изменение скорости перемещения теплоносителя осуществляют путем изменения частоты питающего электродвигатель напряжения, причем на этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения увеличивают так, чтобы величина тока электродвигателя оставалась постоянной и равной заданному значению, а на этапе поддержания температуры в заданных пределах требование постоянства тока электродвигателя снимают, а изменение частоты напряжения ведут в фиксированном диапазоне. Изобретение должно обеспечить сокращение времени разогрева рабочего пространства. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам управления тепловым режимом установок аэродинамического нагрева, и может быть использовано в установках для тепловой обработки длинномерных изделий.

Известны различные способы управления тепловым режимом установок аэродинамического нагрева. Так, известен способ, при котором разогрев рабочего пространства и выход на заданный режим осуществляют подачей электропитания к электродвигателю роторного нагревателя и его вращением с подачей газового теплоносителя в рабочий канал установки, а управление тепловым режимом осуществляют за счет регулирования расхода газового теплоносителя. Указанное регулирование достигается механическими средствами, например установкой управляемых заслонок (АС СССР №767477, БИ №36, 30.09.80 г., Пат. РФ №2019777, МПК F 26 B 9/06, опубл. 15.09.94 г.).

При всех отличиях в конструктивном исполнении известных установок аэродинамического нагрева способы управления тепловым режимом, реализованные на них, в силу определенных конструктивных особенностей этих установок обладают существенными недостатками. Так, при работе различных регулирующих элементов, предназначенных для перекрытия потока газового теплоносителя, появляется неконтролируемое перетекание газового теплоносителя в рабочий канал вследствие неплотностей и зазоров и, как следствие, нежелательное изменение температуры и неравномерность температурного поля в рабочем канале установки аэродинамического нагрева. Это затрудняет регулирование температуры, а также поддержание ее на заданном уровне с заданной точностью. При этом практически невозможно сократить время разогрева до заданной температуры без увеличения электрической мощности роторного нагревателя, что приводит к перерасходу электроэнергии либо к снижению производительности. Кроме того, способ регулирования с помощью механических средств обладает низкой надежностью, не позволяет оптимизировать время выхода на заданный режим нагрева и поддержание температуры с требуемой точностью.

Наиболее близким к заявляемому является способ управления тепловым режимом установки аэродинамического нагрева, при котором осуществляют разогрев пространства рабочего канала до заданной температуры и поддержание ее в заданных пределах в течение заданного времени путем подачи электропитания к электродвигателю роторного нагревателя, вращения рабочего колеса роторного нагревателя и изменения скорости его вращения с регулированием расхода подаваемого в рабочий канал разогреваемого газового теплоносителя за счет изменения скорости перемещения газового теплоносителя (кн. П.И.Тевиса и др. "Рециркуляционные установки аэродинамического нагрева", Москва, Изд-во "Машиностроение", 1986 г., с.с.129-130). В данном способе разогрев пространства рабочего канала до заданной температуры достигается увеличением тока электродвигателя роторного нагревателя.

Способ обладает следующими недостатками. Так, при разогреве газового теплоносителя падает нагрузка на роторное колесо и мощность электродвигателя используется не эффективно, что приводит к увеличению времени разогрева пространства рабочего канала. При этом в стартовом режиме возможны случаи резкого увеличения электрического тока выше допустимой величины, а это может привести к выходу электродвигателя из строя. Кроме того, использование электродвигателя постоянного тока снижает надежность роторного нагревателя и сопряжено с увеличением потерь при его использовании.

Таким образом, при использовании известного способа отсутствует возможность оптимизации процесса на различных стадиях работы установки, что в свою очередь ведет к увеличению энергозатрат на установку и процесс, а использование системы регулирования с электродвигателем постоянного тока снижает надежность работы установки.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания способа управления тепловым режимом установок аэродинамического нагрева, обеспечивающего оптимизацию процесса разогрева пространства рабочего канала до заданной температуры и ее поддержания в заданных пределах и, как следствие, сокращение времени разогрева пространства рабочего канала до заданной температуры, повышение точности поддержания заданной температуры в заданном диапазоне, повышение надежности и экономичности процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления тепловым режимом установки аэродинамического нагрева разогрев пространства рабочего канала до заданной температуры и поддержание ее в заданных пределах в течение заданного времени осуществляют путем подачи электропитания к электродвигателю, вращения рабочего колеса роторного нагревателя и изменения скорости его вращения с регулированием расхода подаваемого в рабочий канал разогреваемого газового теплоносителя за счет изменения скорости его перемещения путем изменения частоты питающего электродвигатель напряжения, причем на этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения увеличивают так, чтобы при этом величина тока электродвигателя оставалась постоянной и равной заданному значению, а на этапе поддержания температуры в заданных пределах требование постоянства тока электродвигателя снимают, а изменение частоты питающего электродвигатель напряжения ведут в фиксированном диапазоне.

Задача решается также тем, что частоту питающего электродвигатель напряжения изменяют в зависимости от заданной температуры пространства рабочего канала, от теплофизических характеристик газового теплоносителя, в частности, в зависимости от плотности газового теплоносителя.

Задача решается также и тем, что границы фиксированного диапазона изменения частоты питающего электродвигатель напряжения устанавливают в зависимости от теплофизических характеристик газового теплоносителя и от теплофизических характеристик установки аэродинамического нагрева.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в следующем. Управление тепловым режимом установки, т.е. ее разогревом до заданного значения температуры пространства рабочего канала и дальнейшего поддержания этой температуры, осуществляется путем изменения скорости перемещения газового теплоносителя. Как известно, мощность электродвигателя роторного нагревателя подбирается в соответствии с нагрузками на рабочее колесо, возникающими при перемещении теплоносителя со скоростью, соответствующей заданному диапазону температур пространства рабочего канала.

В начале разогрева при достаточно низкой начальной температуре и, соответственно, высокой плотности газового теплоносителя аэродинамическая нагрузка на рабочее колесо роторного нагревателя высока, что может привести к превышению допустимого значения мощности и, соответственно, тока электродвигателя и выходу его из строя.

Чтобы этого избежать нагрузку на рабочее колесо роторного нагревателя и, соответственно, ток электродвигателя регулируют изменением частоты питающего электродвигатель напряжения по заранее заданной программе. На этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения изменяют так, чтобы ток электродвигателя оставался постоянным и не превышал максимально допустимую величину, а на этапе поддержания температуры в заданных пределах изменение частоты ведут в фиксированном диапазоне, а требование постоянства электрического тока снимают. Таким образом достигается возможность управлять тепловым процессом в оптимальном режиме без перегрузки электродвигателя роторного нагревателя.

Заявляемый способ осуществлен на установке аэродинамического нагрева длинномерных изделий, снабженной системой регулирования теплового режима. Система регулирования включает в себя по меньшей мере один датчик температуры рабочего пространства, датчик тока электродвигателя и блок управления с преобразователем частоты.

После загрузки изделия в рабочий канал установки к электродвигателю роторного нагревателя подают электропитание, вращением рабочего колеса приводят в движение газовый теплоноситель и осуществляют его разогрев. В данном случае в качестве газового теплоносителя используется воздух, однако могут использоваться и другие газовые смеси.

На этапе разогрева с ростом температуры снижается плотность газового теплоносителя и, как следствие, нагрузка на роторный нагреватель. На этом этапе оптимизацию процесса разогрева рабочего пространства до заданной температуры достигают увеличением нагрузки на рабочее колесо путем увеличения скорости его вращения за счет повышения частоты питающего электродвигатель напряжения. При этом повышение частоты ведут так, чтобы величина электрического тока оставалась постоянной. Это позволяет сократить время разогрева рабочего пространства и выход на заданную температуру с максимальным использованием мощности роторного нагревателя без перегрузки его электродвигателя.

По достижении в рабочем пространстве заданной температуры переходят на этап поддержания этой температуры в заданных пределах. Поддержание заданной температуры в заданных пределах также осуществляют путем изменения частоты питающего электродвигатель напряжения. Однако это изменение ведут в фиксированном диапазоне, границы которого устанавливают в зависимости от параметров технологического процесса, а также теплофизических характеристик газового теплоносителя и установки аэродинамического нагрева.

При этом верхняя граница диапазона определяется предельно допустимым значением тока электродвигателя при минимально возможном значении заданной температуры рабочего пространства, характерной для данного технологического процесса, а нижняя граница - частотой питающего электродвигатель напряжения, при которой прекращается рост температуры пространства рабочего канала.

Поэтому заданный фиксированный диапазон изменения частоты определяют в каждом конкретном случае расчетным путем или подбирают эмпирически.

Заявляемый способ реализован на конкретной установке аэродинамического нагрева с роторным нагревателем, мощность двигателя которого составляет 7,5 кВт при номинальных оборотах 1500 мин^-1. В качестве газового теплоносителя использовался воздух. Расчетным путем были определены параметры регулирования и управления тепловым процессом установки. Заданные значения параметров составили: температура t_зад=˜+130°С с допустимым отклонением от заданной величины Δt=±1°С, ток I_зад=13,5 А с допустимым отклонением от заданной величины ΔI=0,3 А.

При первоначальном запуске электродвигателя на этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения и соответственно скорость его вращения повышали от 0 до такой величины, при которой сигнал датчика тока электродвигателя был равен заданному значению I_зад=13,5А±0,3 А. Достигнутое значение частоты питающего электродвигатель напряжения определяется при этом величиной допустимой нагрузки на рабочее колесо, возникающей при данной температуре рабочего пространства и данной плотности воздуха. Подача в блок управления разности сигналов датчика тока электродвигателя и задатчика тока с последующим формированием сигнала управления преобразователем частоты обеспечивала плавное повышение частоты по мере падения нагрузки на рабочее колесо в результате роста температуры и снижения плотности воздуха. Одновременно в блоке управления обеспечивалось сравнение сигналов датчика температуры рабочего пространства и задатчика температуры, при достижении равенства которых формировался сигнал на окончание этапа разогрева.

На этапе поддержания температуры пространства рабочего канала в пределах ±1°С от заданного значения t_зад=+130°С блок управления осуществлял сравнение сигналов датчика температуры пространства рабочего канала и задатчика температуры и формировал сигналы управления на преобразователь частоты для увеличения или уменьшения частоты питающего электродвигатель напряжения и, соответственно, скорости вращения электродвигателя. Тем самым изменялась скорость перемещения теплоносителя, а следовательно, и его температура до момента устранения разности температур между заданной и текущей величинами. На этом этапе ограничением, накладываемым на роторный нагреватель с целью оптимизации его работы, являлось не значение тока электродвигателя, а значение частоты питающего электродвигатель напряжения, которую изменяли в заданных пределах. Таким образом осуществляли стабилизацию заданной температуры при минимизации энергопотребления, т.к. электродвигатель на этом этапе в течение длительного времени работал практически при минимальных оборотах. При этом также обеспечивалась высокая точность регулирования температуры, требуемая в соответствии с условиями технологического процесса. Использование асинхронного двигателя обеспечило снижение потерь и более высокую надежность установки по сравнению с использованием электродвигателя постоянного тока.

Реализация заявляемого изобретения позволила улучшить следующие показатели по сравнению с прежними, а именно:

- сократить продолжительность разогрева пространства рабочего канала;

- сократить удельный расход электроэнергии;

- повысить экономичность процесса за счет его оптимизации;

- повысить точность регулирования температуры,

- повысить надежность работы установки.

1. Способ управления тепловым режимом установки аэродинамического нагрева, при котором осуществляют разогрев пространства рабочего канала до заданной температуры и поддержание ее в заданных пределах в течение заданного времени путем подачи электропитания к электродвигателю роторного нагревателя, вращение рабочего колеса роторного нагревателя и увеличение скорости его вращения с регулированием расхода подаваемого в рабочий канал разогреваемого газового теплоносителя за счет изменения скорости перемещения газового теплоносителя, отличающийся тем, что изменение скорости перемещения газового теплоносителя осуществляют путем изменения частоты питающего электродвигатель напряжения, причем на этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения увеличивают так, чтобы при этом величина тока электродвигателя оставалась постоянной и равной заданному значению, а на этапе поддержания температуры в заданных пределах требование постоянства тока электродвигателя снимают, а изменение частоты питающего электродвигатель напряжения ведут в фиксированном диапазоне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту питающего электродвигатель напряжения изменяют в зависимости от заданной температуры пространства рабочего канала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту питающего электродвигатель напряжения изменяют в зависимости от теплофизических характеристик газового теплоносителя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что границы фиксированного диапазона изменения частоты питающего электродвигатель напряжения устанавливают в зависимости от теплофизических характеристик газового теплоносителя и теплофизических характеристик установки аэродинамического нагрева.