Устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей

Полезная модель относится к области производства синтетических волокон, нитей и нетканых материалов, в частности к процессу сушки волокнистых материалов, и может быть использована в других областях промышленности, где находят применение сушильные машины и аппараты.
Известно устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки, содержащее электроприводы продувочного воздуха и соплового обдува, микропроцессорный блок задания режима сушки, термометрические датчики температуры, датчики влажности волокнистого продукта, выполненные с возможностью реализации оптимального управления процессом сушки по заданной программе с учетом изменения входных параметров как по времени, так и в зависимости от перерабатываемого волокнистого материала и обеспечения режима интенсификации, позволяющего снизить затраты тепловой и электрической энергии, повысить производительность оборудования и качество обрабатываемого материала [Поляков А.Е., Поляков К.А., Пятибратова Е.А., Шевнина Е.А. Устройство для управления процессом сушки пряжи в паковках. Патент на полезную модель №27320, Бюл. №2, 2003].
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей.
Задачей является разработка оптимального устройства управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей, обеспечивающей энергосберегающие режимы эксплуатации.
Технический результат - повышение энергетической эффективности использования теплоносителя и технологического объема устройства, за счет модернизации конструктивного решения при совершенствовании системы управления электротехническим комплексом сушильной камеры.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей, содержит регулируемый электропривод вентилятора цилиндрического барабана сушильной камеры, вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания режима влажности, поступающего в сушильную камеру волокнистого продукта, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика влажности, установленного на входе подачи волокнистого материала в сушильную камеру, 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 цилиндрического барабана сушильной камеры, и кинематически через редуктор с валом вентилятора, обеспечивающего через калорифер режим нагнетания воздуха в полость цилиндрического барабана, электропривод цилиндрического барабана сушильной камеры, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания скоростным режимом цилиндрического барабана сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, 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 малого сетчатого барабана сушильной камеры, и кинематически через редуктор связан с валом цилиндрического барабана, электропривод вентилятора малого сетчатого барабана, вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания температурного режима сушильного агента внутри сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика температуры сушильного агента, установленного в нижней зоне сушильной камеры, 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 малого сетчатого барабана сушильной камеры, и кинематически через редуктор с валом вентилятора, обеспечивающего через калорифер режим нагнетания воздуха в полость малого сетчатого барабана, электропривод малого сетчатого барабана, вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ, на четвертый вход которого поступает сигнал задания скоростным режимом малого сетчатого барабана сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика влажности, установленного на выходе сушильной камеры, а выход которого подключен через регулятор напряжения к асинхронному двигателю, вал которого через редуктор кинематически соединен с валом малого сетчатого барабана и при этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей, на фигуре 2 представлена конструкция однобарабанной сушильной камеры, на фигуре 3 - траектория движения волокнистого материала.
Устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей содержит регулируемые электроприводы главного цилиндрического и малого сетчатого барабанов, регулируемые электроприводы вентиляторов подачи сушильного агента в главный цилиндрический и малый сетчатый барабаны.
з1
Электропривод вентилятора (1) цилиндрического барабана (2), с установленными на его поверхности лопастями (3), сушильной камеры (4), вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ (5), на первый вход которой поступает сигнал задания U режима влажности, поступающего в сушильную камеру волокнистого продукта, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (6), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (7), второй вход которого соединен с выходом датчика влажности (8), установленного на входе подачи волокнистого материала в сушильную камеру, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (9), асинхронного двигателя (10) и редуктора (11), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (12), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (13) электропривода цилиндрического барабана сушильной камеры, и кинематически через редуктор (11) с валом вентилятора (14), обеспечивающего через калорифер (15) режим нагнетания воздуха в полость цилиндрического барабана.
з2
Электропривод цилиндрического барабана (16) сушильной камеры, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания U скоростным режимом цилиндрического барабана сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (17), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (13), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (18), асинхронного двигателя (19) и редуктора (20), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (21), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (22) электропривода вентилятора малого сетчатого барабана сушильной камеры, и кинематически связан с валом цилиндрического барабана (2).
з3
Электропривод вентилятора (23) малого сетчатого барабана (24), с установленными на его поверхности лопастями (3), вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ (5), на третий вход которой поступает сигнал задания U температурного режима сушильного агента внутри сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (25), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (22), третий вход которого соединен с выходом датчика температуры (26) сушильного агента, установленного в нижней зоне сушильной камеры (4), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (27), асинхронного двигателя (28) и редуктора (29), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (30), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (31) электропривода малого сетчатого барабана сушильной камеры, и кинематически через редуктор (29) с валом вентилятора (32), обеспечивающего через калорифер (33) режим нагнетания воздуха в полость малого сетчатого барабана (24).
з4
Электропривод малого сетчатого барабана (34), вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ (5), на четвертый вход которой поступает сигнал U задания скоростным режимом малого сетчатого барабана сушильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (35), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (31), третий вход которого соединен с выходом датчика влажности (36), установленного на выходе сушильной камеры, а выход которого подключен через регулятор напряжения (37) к асинхронному двигателю (38), вал которого через редуктор (39) кинематически соединен с валом малого сетчатого барабана (24).
Комментарии к разработке и проектированию усовершенствованного устройства управления тепловыми потоками процесса сушки волокнистых продуктов
в
в
Изучив работу традиционной сушильной камеры (СК), состоящей из одного цилиндрического барабана (фиг. 2), было установлено, что при подаче порции волокнистого материала (ПВМ) из верхней части барабана, на ПВМ действует поток горячего воздуха, поступающего по прямотоку и движущегося со скоростью V. Под действием воздуха частицы волокнистого материала смещаются в осевом направлении на величину h за один цикл. Величина h зависит от скорости воздуха (теплового агента) V и может быть величиной управляемой. Благодаря изменению величины h регулируется продолжительность нахождения волокнистого материала внутри барабана.
Проанализировав возможные траектории движения волокнистого материала (АВ, ВС, CD) фиг. 2, установлено, что ПВМ взаимодействует с элементами барабана лишь на половине его сечения (левая часть барабана, фиг. 3), правая часть сечения барабана работает вхолостую. Значительное количество горячего воздуха, подаваемого в СК, проходит мимо ПВМ, что снижает энергетические показатели управляемого электротехнического комплекса (УЭТК). Таким образом, в эксплуатируемых в настоящее время СК неэффективно используются как технологический (около 50%), так и теплотехнический объемы. В итоге более половины объема горячего теплоносителя проходят минуя поток волокнистого материала.
Более эффективное перемешивание порций волокон может быть достигнуто за счет частичной модернизации конструкции СК и совершенствования системы управления тепловыми потоками.
Разработаны функциональная и структурная схемы модернизированного способа сушки волокнистых материалов. Усовершенствование конструкции сводится к следующему. Сушильная камера (4) состоит из цилиндрического барабана (2) с установленными на его поверхности лопастями (3). Внутри основного цилиндрического барабана монтируется малый сетчатый барабан (24), с закрепленными в наружной части лопастями (3). Основная часть теплоносителя проходит в кольцевом зазоре между цилиндрическим и сетчатым барабанами, 30-40% потока подается через малый сетчатый барабан в правую часть СК. Порции волокнистого материала с лопастей цилиндрического барабана транспортируются на поверхность сетчатого барабана, который с установленными на внешней поверхности лопастями, дополнительно транспортирует ПВМ в правую часть СК основного барабана.
Цилиндрический и малый сетчатые барабаны имеют индивидуальные регулируемые параметрические электроприводы цилиндрического барабана (16) и малого сетчатого барабана (34) переменного тока, скоростные диаграммы которых определяются режимами сушки. Подача теплоносителя в правую и левую части СК осуществляется с помощью калориферов (15, 33) и вентиляторов (14, 32), вращающихся от регулируемых электроприводов (1, 23). Для разработки системы автоматического регулирования (САР) процессом сушки предусмотрены следующие датчики: датчик температуры сушильного агента (26) в нижней части СК, датчик влажности ПВМ на входе (8) и выходе (36) СК, а также датчики частоты вращения (12, 21, 30), обеспечивающие коррекцию скоростных и пуско-тормозных режимов.
Разработанное устройство для управления тепловыми потоками процесса сушки синтетических волокон и нитей представляет из себя сложный многодвигательный УЭТК, выполненный на базе современных комплектных энергосберегающих электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением и типовых промышленных датчиков температуры, влажности и частоты вращения. Система управления многодвигательным электроприводом спроектирована по модульному принципу и обеспечивает следующие основные требования:
1. Диапазон изменения частоты вращения рабочих органов должен быть равен диапазону изменения производительности.
2. Пуск двигателей электроприводов должен быть плавным и продолжаться не более тридцати секунд.
3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: пуско-тормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов СК.
4. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянную частоту вращения электроприводов с отклонением, равным не более 0.5-1%.
5. Устройство автоматического регулирования должно быть устойчиво во всех режимах и ограничивать имеющее место колебание питающего напряжения в установившемся режиме в пределах ±5%.
6. Электропривод сушильных барабанов должен обеспечивать регулирование частот вращения в диапазоне 5:1.
Применение электропривода по системе "регулятор напряжения -асинхронный двигатель" позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, увеличением коэффициента полезного времени.
Применение ресурсосберегающих микропроцессорных регуляторов напряжения позволяет снизить уровень потребления электрической энергии, особенно в режиме холостого хода, а также обеспечить управление интенсивностью пуско-тормозных режимов.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микро-ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, датчики частоты вращения, датчики температуры и влажности.
Программа в микро-ЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за режимными показателями: температурой сушильного агента внутри СК и влажностью поступающего и отбираемого волокнистого материала. Программа микро-ЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы отдельно для электроприводов вентиляторов нагнетания теплоносителя в полость цилиндрического (1) и сетчатого (23) барабанов, а также для электроприводов цилиндрического (16) и сетчатого (34) барабанов. Указанные электроприводы работают в следящем режиме за счет введения обратных связей через датчики частоты вращения (12), (21), (30) обеспечивая синхронный пуск и торможение электротехнического комплекса.
з1
з2
з3
Установленный в зоне подачи порций волокнистого материала датчик влажности (8), фиксирующий текущее значение влажности ПВМ, передает свои сигналы в суммирующее устройство (7), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом (1) вентилятора подачи объема теплоносителя в полость цилиндрического барабана (2), который увеличивает или уменьшает в зависимости от влажности интенсивность воздушного потока. Базовую интенсивность (скоростной режим) перемешивания волокнистого материала в цилиндрическом барабане обеспечивает электропривод (16), получающий управляющий сигнал (U) от микро-ЭВМ. Базовая интенсивность определяется отдельно для каждого вида обрабатываемого волокнистого материала. Датчик температуры сушильного агента (26), установленный в нижней зоне СК, фиксирует текущее значение температуры и передает свои сигналы в суммирующее устройство (22), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания (U). В итоге формируется сигнал управления электроприводом (23) вентилятора подачи теплоносителя в полость сетчатого барабана (24), при этом увеличивается или уменьшается в зависимости от температуры интенсивность воздушного потока.
з4
Электропривод вентилятора (23) подачи теплоносителя в полость сетчатого барабана (24) работает в следящем режиме относительно электроприводов (1) и (16) за счет обратных связей, образуемых датчиками частоты вращения (12) и (21). Установленный в зоне отбора волокнистого материала датчик влажности (36), фиксирует текущее значение влажности ПВМ и передает свои сигналы в суммирующее устройство (31), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом (34) сетчатого барабана (24), обеспечивающего большую или меньшую интенсивность перемешивания волокнистого материала.