Устройство для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме

Полезная модель относится к области жидкостной и термомеханической обработки волокнистых материалов в многозонных электротехнических комплексах, где продукт подвергается различным видам термической обработки и вакуумизации, что требует от системы управления обеспечения точности, быстродействия и синхронизации скоростных и тепловых режимов узлов и механизмов.
Известно устройство для управления скоростными режимами и тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей, содержащее регулируемый электропривод вентилятора цилиндрического барабана сушильной камеры, электропривод цилиндрического барабана, электропривод вентилятора малого сетчатого барабана, электропривод малого сетчатого барабана [Устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей. Патент РФ №179797. Бюл. №15, 2018].
Недостатком устройства является отсутствие энергосберегающего устройства управления электроприводами с целью синхронизации скоростных режимов в сложных зонах термомеханической обработки волокнистых материалов.
Задачей является разработка оптимального энергосберегающего устройства управления синхронизацией скоростных режимов и тепловой мощности, передаваемой волокнистому материалу.
Технический результат - энергосберегающее управление процессом сушки волокнистых материалов в вакууме, управляемых электротехнических комплексах технологического оборудования.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме содержит блок управления процессом термической обработки волокнистого материала в нагревательно-транспортирующей камере, вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания температурно-влажностного режима, обеспечивающего оптимальный технологический регламент, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика влажности, установленного в нижней части вакуум-камеры, а выход - со входом последовательно соединенных ПИД-регулятора, тиристорного регулятора мощности и нагревательных элементов, выход которых соединен первым входом суммирующего устройства, электропривод подачи волокнистого материала в зону термической обработки, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания, определяющий оптимальный скоростной режим подачи волокнистого материала, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика влажности, установленного в зоне нагревательных элементов, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, выход соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого кинематически соединен с валом вентилятора электропривода перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, выход соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого кинематически соединен с валом вентилятора электропривода отсоса влажного воздуха, а выход формирует скоростной и тепловой режимы в нагревательно-транспортирующей камере, выход которой соединен со входом вакуум-камеры, в которой волокнистый материал формируется равномерным слоем заданной влажности, электропривод вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания, обеспечивающий синхронизацию скоростных режимов с электроприводом подачи волокнистого материала в зону термической обработки, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя, редуктора и вентилятора, а выход формирует скоростной режим воздушного потока в нагревательно-транспортирующей камере, электропривод вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры, вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ, на четвертый вход которого поступает сигнал задания, обеспечивающий снижение давления ниже атмосферного, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход соединен с выходом датчика давления, установленного на выходе нагревательно-транспортирующей камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вакуумного насоса, и кинематически с вентилятором, выход которого формирует скоростной режим, обеспечивающий отсос влажного воздуха из осадочной камеры, герметично связанной с нагревательно-транспортирующей камерой, электропривод вакуумного насоса, вход которого подключен к пятому выходу микроЭВМ, на пятый вход которой поступает сигнал задания, определяющий степень разрежения в вакуум-камере, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход соединен с выходом датчика разрежения, установленного в нижней части вакуум-камеры, а выход – со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с приемным валом вакуум-насоса, выход которого через волокнистый материал связан с первым входом суммирующего устройства, на второй вход которого поступает результирующая составляющая скоростных режимов от электропривода подачи волокнистого материала в зону термической обработки, электропривода вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, электропривода вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры, обеспечивающих равномерность и заданную влажность волокнистого материала и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления автоматизированными электроприводами.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме. На фигуре 2 представлена технологическая схема устройства для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме. На фигуре 3 представлено влияние скорости потока воздуха, расстояния между инфракрасными панелями и поверхностью волокнистого материала на время, необходимое для испарения воды. На фигуре 4 представлена расчетная схема системы модернизированного энергосберегающего варианта сушки волокнистых материалов. На фигуре 5 представлен амплитудно-фазовый критерий устойчивости Найквиста. На фигуре 6 представлен переходный процесс при единичном управляющем воздействии.
Устройство для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме содержит блок управления процессом термической обработки волокнистого материала, электроприводы подачи волокнистого материала в зону термической обработки, вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры, вакуумного насоса (фиг. 2).
з1
Блок управления процессом термической обработки (1) волокнистого материала (2) в нагревательно-транспортирующей камере (3), вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ (4), на первый вход которой поступает сигнал задания U температурно-влажностного режима, обеспечивающего оптимальный технологический регламент, состоящий из цифроаналогового преобразователя (5), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (6), второй вход которого соединен с выходом датчика влажности (7), установленного в нижней части вакуум-камеры, а выход - со входом последовательно соединенных ПИД-регулятора (8), тиристорного регулятора мощности (9) и нагревательных элементов (10), выход которых соединен первым входом суммирующего устройства (11).
з2
Электропривод подачи волокнистого материала (12) в зону термической обработки, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания U, определяющий оптимальный скоростной режим подачи волокнистого материала, состоящий из цифроаналогового преобразователя (13), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (14), второй вход которого соединен с выходом датчика влажности (15), установленного в зоне нагревательных элементов, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (16), асинхронного двигателя (17) и редуктора (18), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (19), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (20) электропривода вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, выход соединен со вторым входом суммирующего устройства (11), третий вход которого кинематически соединен с валом вентилятора электропривода перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, выход соединен с первым входом суммирующего устройства (21), второй вход которого кинематически соединен с валом вентилятора электропривода отсоса влажного воздуха, а выход формирует скоростной и тепловой режимы в нагревательно-транспортирующей камере (3), выход которой соединен со входом вакуум-камеры (22), в которой волокнистый материал формируется равномерным слоем заданной влажности.
з3
Электропривод вентилятора (23) перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания U, обеспечивающий синхронизацию скоростных режимов с электроприводом подачи волокнистого материала в зону термической обработки, состоящий из цифроаналогового преобразователя (24), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (20), выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (25), асинхронного двигателя (26), редуктора (27) и вентилятора (28), а выход формирует скоростной режим воздушного потока в нагревательно-транспортирующей камере.
з4
Электропривод вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры (29), вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ, на четвертый вход которого поступает сигнал задания U, обеспечивающий снижение давления ниже атмосферного, состоящий из цифроаналогового преобразователя (30), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (31), второй вход соединен с выходом датчика давления (32), установленного на выходе нагревательно-транспортирующей камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (33), асинхронного двигателя (34) и редуктора (35), выходной вал которого кинематически соединен с датчиком частоты вращения (36), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (37) электропривода вакуумного насоса, и кинематически с вентилятором (38), выход которого формирует скоростной режим, обеспечивающий отсос влажного воздуха из осадочной камеры, герметично связанной с нагревательно-транспортирующей камерой.
з5
Электропривод вакуумного насоса (39), вход которого подключен к пятому выходу микроЭВМ, на пятый вход которой поступает сигнал задания U, определяющий степень разрежения в вакуум-камере (22), состоящий из цифроаналогового преобразователя (40), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (37), третий вход соединен с выходом датчика разрежения (41), установленного в нижней части вакуум-камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (42), асинхронного двигателя (43) и редуктора (44), выходной вал которого кинематически соединен с приемным валом вакуум-насоса (45), выход которого через волокнистый материал связан с первым входом суммирующего устройства (46), на второй вход которого поступает результирующая составляющая скоростных режимов от электропривода подачи волокнистого материала в зону термической обработки, электропривода вентилятора перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала, электропривода вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры, обеспечивающих равномерность и заданную влажность волокнистого материала и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления автоматизированными электроприводами.
Комментарии к разработке и проектированию устройства для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме
Разработанное устройство играет существенную роль в обеспечении эффективности термомеханической обработки волокнистых материалов. Согласование скоростных и температурно-влажностных режимов позволяет обеспечить оптимальный технологический регламент термической обработки волокнистых материалов (ВМ).
Разработанная система автоматического регулирования процессом сушки волокнистых материалов в вакууме разделена на следующие два этапа: 1. Обеспечение заданных параметров сушки в вакууме за счет синхронизации управления скоростными режимами и тепловыми потоками; 2. Создание заданного разрежения в вакуумной камере при завершении процесса сушки и формировании равномерного слоя волокнистого продукта на поверхности транспортера или сетчатого барабана.
В настоящее время основным промышленным способом сушки ВМ является конвективная сушка. При конвективной сушке испарение влаги происходит при температуре ниже точки кипения. В вакуумных сушильных установках испарение влаги с поверхности волокнистых материалов происходит при температуре выше точки кипения. Процесс сушки в вакууме состоит из перемещения пара и влаги к поверхности ВМ и испарения в окружающую среду. Образовавшийся пар путем диффузии переходит в окружающую среду. В вакууме по мере уменьшения давления среды в поверхностном слое слабеют межмолекулярные связи, и те молекулы, у которых силы взаимодействия меньше других, отрываются и диффундируют в среду. При вязкостном режиме в камере они испытывают много столкновений на пути к стенке камеры. Поэтому часть их возвращается обратно, способствуя созданию пограничного слоя, часть остается в пространстве, объединяясь в ассоциации, а часть конденсируется, достигая стенки камеры и отдавая ей тепло конденсации. Температура стенки повышается, часть адсорбированных на ней молекул снова отражается. Чем ниже температура охлаждения, тем больше конденсация водяного пара. Для интенсивного испарения необходимо, чтобы относительная влажность среды не увеличивалась, а поддерживалась в соответствии с режимом.
В результате интенсивного испарения влаги поверхность материала быстро охлаждается до температуры окружающей среды и образуется пограничный слой, поэтому сушка резко замедляется. Чтобы интенсифицировать процесс испарения при таких условиях, необходимо либо разрушить пограничный слой над поверхностью, либо максимально уменьшить его толщину. Таким образом, волокнистый материал при вакуумной сушке необходимо постоянно нагревать. Способ конвективного нагрева в данном случае отпадает, так как при снижении давления окружающей среды теплопроводность ее снижается. Отсюда вытекает необходимость комбинирования вакуумной сушки с другим способом нагрева. Тепло может передаваться контактным, радиационным или диэлектрическим методами. Передача тепла материалу при вакуумно-диэлектрическом способе позволяет реализовать данную возможность. Известны два вида вакуумных установок. Первый вид с циклическим нагревом и второй с контактным нагревом волокнистого продукта. В циклических камерах сначала производится нагрев ВМ, а потом вакуумирование. В вакуумных камерах с контактным нагревом передача тепла материалу производится пластинами.
Авторами при разработке и проектировании устройства использован первый вид с циклическим нагревом как наиболее экономичный и производительный для различных видов волокнистых материалов.
Одним из перспективных направлений в интенсификации сушки волокнистых материалов является использование энергии инфракрасного излучения. В качестве нагревательных элементов использованы инфракрасные панели, расположенные на верхней и нижней гранях нагревательно-транспортирующей камеры.
Инфракрасные панели с электрическим подогревом излучают до 86% своей мощности в виде инфракрасной энергии. Почти вся подводимая электрическая энергия преобразуется в инфракрасное излучение тепла в волокнистом материале и направляется на цель отражателями. Часть тепловой энергии отводится от нагревательного элемента за счет теплопроводности или конвекции.
Для практических применений эффективность инфракрасного нагревателя зависит от согласования излучаемой длины волны и спектра поглощения нагреваемого материала. Например, спектр поглощения для воды имеет свой пик около 3 мкм. Это означает, что излучение средневолновых или углеродных инфракрасных нагревателей намного лучше поглощается водой и покрытиями на водной основе, чем средне или коротковолновое инфракрасное излучение. То же самое справедливо для пластиков, таких как ПВХ или полиэтилен. Доза поглощения составляет около 3,5 мкм. С другой стороны, некоторые материалы поглощают только в коротковолновом диапазоне и демонстрируют сильную отражательную способность в средних и дальних инфракрасных лучах.
Тщательный выбор наиболее эффективного типа инфракрасного обогревателя является важным при модернизации и проектировании вакуумных сушильных установок.
Кинетика сушки зависит от длины волны излучения, расстояния между инфракрасными излучателями и облучаемой поверхностью, а также от скорости воздушного потока, как показано на фиг. 3.
Как правило, скорость сушки увеличивается с ростом температуры и уменьшением относительной влажности сушильной среды. Однако температура сушки не может быть слишком высокой, поскольку это приводит к термическому разложению волокон продукта.
Наиболее важными являются две переменные: скорость сушки и конечная температура материала. Обычно высокая скорость сушки вызывает повреждение волокнистого материала, который становится хрупким. При ИК-сушке скорость сушки уменьшается с уменьшением содержания влаги и уменьшением мощности инфракрасного излучения.
Достоинством инфракрасной сушки является эффективный способ дегидратации. Энергия ИК-излучения передается от нагревательного элемента к поверхности продукта без нагрева окружающего воздуха. Излучение направляется на открытый материал, проникает в него, а затем превращается в тепло. В течении процесса сушки постоянно изменяются поглощаемость, отражательная способность и пропускаемость излучения высушиваемого материала из-за снижения содержания воды. Степень поглощения, толщина поглощающего слоя и пропускная способность зависят от длины волны ИК-излучения и свойств облучаемых материалов. Также преимуществами инфракрасного излучения являются высокие коэффициенты теплоотдачи, короткое время сушки и оперативность контроля влажности материала. С учетом указанных преимуществ, ИК-сушка в сочетании с вакуумом является перспективной для целого ряда деликатных волокнистых материалов.
Технологическая схема модернизированного устройства для управления энергосберегающими режимами термомеханической обработки волокнистых материалов в вакууме (фиг. 2) содержит контур подачи волокнистого материала в зону термической обработки (47), состоящий из питающих отжимных валов (48) и съемно-рыхлительного барабана (49), установленных на входе нагревательно-транспортирующей камеры (3), выполненной в виде короба, на верхней и нижней гранях которого установлены инфракрасные излучатели, выполненные в виде панелей (10). На выходе нагревательно-транспортирующей камеры герметично к ней смонтирована осадочная камера (50) с отсасывающим трубопроводом (51), в нижней части камеры установлен вращающийся вакуумный клапан (52), а под ним транспортер (53), расположенный в вакуум-камере (8), в нижней части которой предусмотрен второй (выгрузной) вращающийся вакуум-клапан (54). Трубопровод (55) вакуум-камеры соединяется с вакуум-насосом (45).
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блок питания микроЭВМ, цифроаналоговые преобразователи, тиристорный регулятор мощности, регуляторы напряжения, датчики частоты вращения, давления, разрежения и влажности.
Программа в микроЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за обеспечением синхронизации линейных скоростей транспортирования волокнистого материала в зонах термической обработки и формирования равномерного слоя на поверхности транспортера или сетчатого барабана.
Программа микроЭВМ устанавливает базовую передаваемую мощность нагревательным элементам и оптимальные скоростные режимы для электроприводов:
з1
- блоку управления процессом термической обработки (1) волокнистых материалов (2) в нагревательно-транспортирующей камере (3) - U;
з2
- электроприводу подачи волокнистого материала (12) в зону термической обработки - U;
з3
- электроприводу вентилятора (23) перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала - U;
з4
- электроприводу вентилятора (29) отсоса влажного воздуха из осадочной камеры - U;
з5
- электроприводу вакуумного насоса (39), обеспечивающего давление в вакуум-камере ниже атмосферного - U.
з4
з5
Электроприводы работают в следящем режиме попарно (12 и 23) и (29 и 39) за счет введения обратных связей через датчики частоты вращения (19 и 36), обеспечивая синхронный пуск и торможение электротехнического комплекса. Давление ниже атмосферного в коробе нагревательно-транспортирующей камеры поддерживает датчик давления (32), который фиксирует текущее значение и передает сигналы на суммирующее устройство (31), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры (29). Процесс вакуумирования обеспечивает датчик разрежения (41), установленный в нижней части вакуум-камеры. Текущее значение степени разрежения передается датчиком (41) на суммирующее устройство (37), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U и импульсов, поступающих с датчика частоты вращения (36). В итоге формируется результирующий сигнал управления электроприводом вакуумного насоса (39).
з2
Контроль влажности волокнистого материала в зоне нагревательных элементов (10) фиксирует датчик влажности (15), сигнал с которого поступает на суммирующее устройство (14), где происходит сравнение с сигналом задания U, сформированный сигнал является управляющим для электропривода подачи волокнистого материала (12) в зону термической обработки, при этом увеличивая или снижая линейную скорость транспортирования потока волокнистого материала, тем самым регулируя время пребывания продукта в зоне нагрева.
з1
Установленный в нижней части вакуум-камеры датчик влажности (7) фиксирует текущее значение влажности и передает сигналы на суммирующее устройство (6), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления блоком, состоящим из ПИД-регулятора (8) и регулятора мощности (9), передающего электрическую энергию на нагревательные элементы (10) в соответствии с управляющим воздействием, производимым ПИД-регулятором, при этом происходит выравнивание влажности в нагревательно-транспортирующей и вакуумной камерах.
з1
з2
з3
з4
з5
Управление синхронизацией скоростных режимов и тепловых потоков осуществлено методом эквивалентирования, то есть определения с одной стороны результирующей составляющей скоростных режимов электропривода подачи волокнистого материала в зону термической обработки (12), электропривода вентилятора (23) перемешивания и равномерного распределения волокнистого материала и блока управления процессом термической обработки (1) волокнистого материала с помощью суммирующего устройства (11) и с другой стороны результирующей составляющей скоростных режимов электропривода вентилятора отсоса влажного воздуха из осадочной камеры (29) и электропривода вакуумного насоса (39), при этом на выходе суммирующего устройства (46) сформирован управляющий сигнал, соответствующий влажности волокнистого материала при заданных сигналах управления U, U, U, U, U.
Анализ качественных показателей системы автоматического регулирования проведен по расчетной структурной схеме (фиг. 4).
Критерий Найквиста позволяет определить устойчивость системы с обратной связью (так называемой замкнутой системы) по экспериментально снятой или полученной на основе передаточной функции амплитудно-фазовой частотной характеристике разомкнутой системы. Таким образом, для замкнутой системы при устойчивой разомкнутой должно выполняться условие: если замкнутая система находится на границе устойчивости, то в полиноме нет корней с положительной вещественной частью, но имеется пара чисто мнимых корней. Эта граница наиболее характерна для устойчивых в разомкнутом состоянии систем. Таким образом, если разомкнутая система устойчива, то для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы не охватывала точку с координатами (-1; j0). На фиг. 5 представлен амплитудно-фазовый критерий устойчивости Найквиста. Из анализа зависимости разомкнутой системы видно, что точка (-1; +j0) не охватывается характеристикой, следовательно, исследуемая система автоматического регулирования является устойчивой.
Переходные функции, характеризующие выходную регулируемую величину - влажность волокнистого материала, позволяют оценить качество системы автоматического регулирования при управляющих и возмущающих воздействиях, при заданных технологических параметрах.
Переходный процесс при единичном управляющем воздействии показан на фиг. 6.