Reglarea automata a temperaturii cuptoarelor de incalzire

REGLAREA AUTOMATA A TEMPERATURII CUPTOARELOR DE INCALZIRE

1. Modelul matematic al cuptorului de incalzire

Temperatura este cel mai important parametru al cuptoarelor de incalzire prin care este apreciat regimul termic al agregatului. Consideram cazul unui cuptor de incalzire continuu de lungime L, in care se deplaseaza cu viteza v incarcatura unitara q_i de caldura specifica c_i. Incalzirea cuptorului se face prin arderea unui amestec de combustibil (cu debitul Q_c și putere calorica p_c) cu aer (cu debitul Q_a). Gazele arse sunt eliminate la temperatura _ga cu debitul Q_ga.

Structura unui SRA simplu pentru temperatura este prezentat in fig.4.1. Temperatura este masurata de traductorul TT, iar dispozitivul de reglare a temperaturii DRT genereaza marimea de conducere care se aplica elementului de execuție EE (un servoventil) prin care se modifica debitul de combustibil.

Pierderile de caldura prin pereții cuptorului sunt

unde :    S_p - suprafața pereților;

θ_pi și θ_pe - temperaturile fețelor interne și externe ale pereților;

K_c - coeficient de schimbare de caldura prin conductivitate

l_i - conductivitatea termica a materialului stratului i de perete;

s_i - grosimea stratului i de perete;

n - numarul de straturi ale zidariei refractare.

Pierderile de caldura prin gazele arse eliminate se considera proporționale cu debitul de combustibil Q_c și temperatura gazelor arse _ga

unde K₁ și K₂ sunt constante de proporționalitate.

Bilanțul termic al cuptorului se poate scrie simplificat

unde _i este temperatura finala a incarcaturii. Bilanțul (4.4) se mai poate scrie

Aproximand temperaturile θ_pi = θ_ga = θ_i se obține

de unde rezulta modelul matematic sub forma temporala

sau

unde : y - marimea de ieșire y = _i

m - marimea de execuție m = Q_c;

z - perturbația z = _pc

T_c - constanta de timp de intarziere a cuptorului de incalzire

k_cm - factorul de amplificare fața de marimea de execuție

k_cz - factorul de amplificare fața de perturbație

Aplicand transformata Laplace se obține modelul matematic operațional

de unde

Deci cuptorul de incalzire se comporta ca un element aperiodic de ordinul intai in funcție de intrare și perturbație.

2. Modelul matematic al unui recuperator de caldura

Aerul utilizat la arderea combustibilului trebuie incalzit pentru creșterea eficienței procesului. Pentru acest lucru, gazele de ardere de la ieșirea din cuptorul de incalzire sunt utilizate pentru incalzirea aerului care participa la combustia din cuptor. Procesul de transfer de caldura gaz cald-aer rece are loc intr-un recuperator de caldura (fig.4.2). Gazele arse cu debitul Q_g au temperaturile _g1 și _g2 la intrarea respectiv ieșirea din recuperator, iar aerul cu debitul Q_a are temperaturile _a1 și _a2 la intrarea respectiv ieșirea din recuperator.

Bilanțul termic al recuperatorului de caldura este

unde : c_g, c_a - caldura specifica a gazelor arse, respectiv a aerului;

m_a - masa de aer din recuperator.

Se poate scrie

de unde rezulta modelul matematic sub forma temporala

unde :    y_r - marimea de ieșire din recuperator;

m_r - marimea de execuție a recuperatorului;

z_r - perturbația recuperatorului;

T_r - constanta de intarziere a recuperatorului

k_r - coeficientul de transfer al recuperatorului

Aplicand transformata Laplace se obține modelul matematic sub forma operaționala

rezultand

sau

care arata ca recuperatorul de caldura se comporta ca un element aperiodic de ordinul intai fața de marimea de execuție și ca un element intarzietor de ordinul intai fața de perturbație.

3. SRA a temperaturii cuptoarelor de incalzire

In fig.4.1. este prezentat un SRA a temperaturii simplu care este utilizat la cuptoarele mici și nepretențioase. Dispozitivul de reglare a temperaturii DRT primește de la un traductor de temperatura TT o masura a temperaturii din cuptor, o compara cu temperatura prescrisa și genereaza marimea de conducere pe care o transmite elementului de execuție EE (un servoventil) modificand debitul de combustibil Q_c.

Reglarea simpla prezinta dezavantajul ca este supusa influienței tuturor perturbațiilor care acționeaza asupra procesului.

In cazul cuptoarelor mari sau pretențioase la care sunt necesari indici de calitate ai reglarii ridicați, se utilizeaza reglarea in cascada a temperaturii cu debitul de combustibil (fig.4.3). Dispozitivul de reglare a temperaturii DRT genereaza marimea de prescriere pentru dispozitivul de reglare a debitului DRD.

Temperatura gazelor de ardere este o alta marime care caracterizeaza regimul termic al cuptorului. In fig.4.4 este o schema de reglare in cascada a temperaturii gazelor de ardere cu temperatura cuptorului. Se menține constanta temperatura gazelor arse (la valoarea de referința _g0) și se modifica temperatura din cuptor.

In cazul cuptoarelor la care trebuie obținuta o temperatura mai mare a flacarii, aerul de ardere se preincalzește in recuperatoarele de caldura. In fig.4.5 se prezinta o bucla de reglare a temperaturii aerului de ardere prin modificarea debitului Q_g de gaze arse ce intra in recuperator.

De cele mai multe ori se cere reglarea arderii, adica menținerea constanta a raportului dintre debitul de combustibil și debitul de aer (fig.4.6). Debitele de combustibil și de aer sunt masurate cu doua traductoare de debit TD1 și TD2, iar un element de raportare ER determina raportul dintre cele doua debite. Dispozitivul de reglare a raportului comanda modificarea debitului de aer pentru a se obține un raport constant r₀.