Способ регулирования температуры нагрева длинномерных изделий

 

1с СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ, преимущественно эмалированных проводов, в тепловых камерах, у которых тепловая энергия подводится от нагревателей, расположенных внутри камеры, и посредством теплоты газа, непрерывно подаваемого в камеру, заключакзщкйся в непрерывном измерении температуры в рабочей зоне тепловой ^камеры с использованием термопары, сравнении ее с заданной при номинальном тепловом режиме и изменении знергии, подводимой нагревателями, при отклонении измеренной температуры от заданной, отличающийся тем, что, с целью повыше^ ния качества изделий, дополнительно изменяют энергию теплоты газа в соответствии с закономерностью:QO = -oi*4 о(а:^5^^^•<ifl7•ТгIn§J_(т! - T^(o^;'+o(^)Q^т* -••-тКгде Q( = Q* +. К(ТД - Т^)', количество энергии, подаваемой от нагревателей на единицу i площади стенок тепловой камеры в единицу времени при регулировании температуры нагрева изделий; количество энергии, подаваемой от нагревателей на единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени при номинальном режиме; заданная темп-ература термопары при номинальном тепловом режиме;измеренная температура термопары;коэффициент пропорциональности;Qj - количество энергии, подво-. ДИМОЙ посредством теплоты •газа на единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени при регулировании температуры нагрева изделий;температура газа, поДаваемо- • го в камеру при номинальном режиме;rj - температура, стенок камерыпечи в.сечении расположения термопары при номинальном режиме;oi.^ - коэффициент теплопередачи от внутренних стенок печи к газу, проходящему внутри печи; .о<2 - коэффициент теплопередачи от внутренних стенок печи в окружающую атмосферу;С. - температура газа в камереТ.Г(Л4^СО4:;!^ со

СОКИ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (11) А1 (51)4 Н 01 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪР СВИД=ТЕЛЬСТВУ где Ц< —— мопары; коэффициент пропорциональности; количество энергии, подво-. димой посредством теплоты т

-с (» (Ф

1п (Тс 7 )(0 +CQ.) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ ССЮ (21) 2641002/24-07 . (22) 09.08,78 (46) 30.08.89. Бюл, М- 32 (72) F..ß.Èâàðöáóðä, И,Б,Пешков, Е.Я.Банков, В.И.Глазков, Г.И.Куколев, В.В.Горянов, В.П,Панов, Л,Н,Пименов и И.В.Сафронов (53) 621,315 (088.8) (56) Привезенцев В.А., Пешков И.Б, Обмоточные и монтажные провода.—

М.: Энергия, 1971, с. 169-172. (54)(57) 1.СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМ-

ПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИИ, преимущественно эмалированных проводов, в тепловых камерах, у которых тепловая энергия подводится от нагревателей, расположенных внутри камеры, и посредством теплоты газа, непрерывно подаваемого в камеру, заключающийся в непрерывном измерении температуры в рабочей зоне тепло- . вой камеры .с использованием термопары, сравнении ее с заданной при номинальном тепловом режиме и изменении энергии, подводимой нагревателями, при отклонении измеренной температуры от заданной, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения качества изделий, дополнительно изменяют энергию теплоты газа в соответствии с закономерностью:

+ K(T» — T ), количество энергии, подаваемой от нагревателей на единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени при регулировании температуры нагрева изделий; количество энергии, подаваемой от нагревателей на единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени при номинальном режиме; заданная температура термопары при номинальном тепловом режиме; измеренная температура терс .газа на единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени при регулировании температуры нагрева изделий; «Рь температура газа, подаваемого в камеру при номинальном ьР режиме; CQ температура стенок камеры

/ печи в сечении расположения термопары при номинальном режиме; коэффициент теплопередачи от внутренних стенок печи к газу, проходящему внутри печи; коэффициент теплопередачи от внутренних стенок печи в окружающую атмосферу; температура газа в камере з 7 печи в сечении расположения термопары при номинальном режиме.

2. Способ по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что изменение энерI

14943 гни теплоты газа осуществляют путем изменения его расхода.

3. Способ по п.2, о т л и ч а юшийся тем, что изменение энергии теплоты газа осуществляют путем изменения его температуры.

Изобретение относится к технологии тепловбй обработки длийномерных изделий, например эмалированных проводов, проводов со стекловолокнистой изоляцией, лакотканей и др.Оно может найти применение в кабельной и электроизоляционной промьппленности. 20

Для тепловой обработки длинномерных иэделий, в частности обмоточных проводов с эмалевой, стекловолокнис той изоляцией и других, используются тепловые камеры — печи, в рабочей 25 зоне которых располагаются источники энергии — нагреватели (электронагреватели, газовые форсунки и др.) и куда непрерывно подается воздух.

В общем случае температура этого воздуха равна. температуре смеси потоков воздуха, один из которых поступает из окружающей атмосферы, а другой имеет более высокую температуру, например поток от устройства каталитического сжигания.

Таким образом, тепловая энергия в рабочей зоне печи складывается из энергии нагревателей и энергии пода- 4р .ваемого газа.

Теплопередача в таких печах происходит следующим образом. Энергия, выделяемая нагревателями, нагревает стенки рабочей зоны, от которых наг- 45 ревается подаваемый в рабочую зону воздух, поэтому температура стенок выше температуры воздуха. Подача . воздуха необходима, для осуществления физико-химических процессов в изоляцин,и для разбавления продуктов выделения во избежание образования взрывоопасной .концентрации газов в рабочей зоне.

Нагрев обрабатываемых изделий про- исходит как за счет лучистой, так и за счет конвективной передачи тепла соответственно от нагретых стенок и нагретого воздуха.

Температура изделия, например, эмалированного провода. — Т„ определяется уравнением вида:

Юпг 4 Тс 4 а1 а,у„, 4 9 L 10Q

1ДО) + о "Р (Т ь ТпР) э где 6„ - диаметр провода;

1»„ — удельный вес материала проволоки;

4 — коэффициент черноты проволоки;

Тс — температура стенок тепловой камеры;

Ть — температура воздуха в зоне камеры;

Ы!!р- коэффициент конвективной теплопередачи от газа к проволоке;

h — текущая высота камеры.

Из уравнения 1 видно, что важней" шими факторами, определяющими нагрев проволоки при прочих заданных условиях, являются температура стенок—

Тс. и температура воздуха (газа)—

Т6-!

Для стабильного процесса нагрева" ния обрабатываемой продукции необходимо для данных условий обеспечить: сопз с g Ть = соп БС, Последние два параметра не остаются неизменными, так как на тепловой режим в рабочей зоне влияют различные факторы, к!вторые могут изменяться случайным образом . изменение температуры окружающей среды, изменение условий теплопередачи на наружной поверхности камеры (например изменение скорости воздуха в связи с открытием ворот цеха), изменение количества подаваемого воздуха или его температуры и др.

Поэтому для поддержания стабильности теплового режима нагрева об5 71 рабатываемых изделий осуществляют регулирование.

Известен способ регулирования режима тепловой обработки эмалируемой проволоки. Этот способ заключается в том, что с помощью термопары непрерывно измеряют температуру в рабочей зоне печи, при этом под температурой рабочей зоны понимают следующее: если в рабочую зону поместить измеритель температуры (например термопару), то он будет находиться под воздействием лучистой энергии разогретых стенок и конвективного. теплообмена газового потока. Температура стенок Тс всегда больше температуры газового потока Тв, поэтому измеритель температуры в рабочей зоне показывает температуру Тп, которая больше температуры воздуха Т и меньше температуры стенок Тс, т.е, 4943

6 разбросе тепловых условий, что снижает производительность процесса.

Недостатки известного способа объясняются следующим образом, Длинномерные изделия в рассматриваемых тепловых камерах нагреваются за счет лучистой энергии нагретых стенок и конвективной теплопереда1р чи от нагретого воздуха. Преобразо" вание известных зависимостей позволяет определить Т и Т соответственно:

flh oc 1 at 0

5 Т = Т„+ (T„- Т ) 01 с мф

+ — 1 — --„— -„е 1 ) (2)

Q{ (0(<, &C (K».+g»

Ы "< +ot g —

ПЬЫ о(а

9(a Мд т, = т, + (т, - тн) +

Т, Та Т .

П4 ы. w+ г qg(g, + oL 1

О( (3) где eh+

1 S<

+ е <

».

Пср 2 1 Sz 1 (, +,)П

z 2

Таким образом, температура рабочей зоны — это условная температура, по которой судят о тепловом режиме в тепловой камере.

Если какие-либо возмущения приводят к изменению температуры в рабо- 30 чей зоне, то в зависимости от этого возмущения (или возмущений) темпера-, тура в рабочей зоне либо увеличивается, либо уменьшается, в результате чего соответственно уменьшают или увеличивают подводимую энергию к нагревателям печи.

Описанный способ регулирования широко применяется в печах различного назначения рассматриваемого типа. 40 !

Известный способ регулирования нагрева имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при наличии .возмущений теплового режима и поддержания постоянной температуры рабочей зоны Т„„ = const он не обеспечивает стабильного режима нагрева обрабатываемой продукции, т.е. если Тп, = const, то в общем случае

Т 4 const и Т Ф const. Следствием этого является недостаточная стабиль- . ность качества обрабатываемой продук" ции. Кроме того, неизбежный относительно большой разброс показателей теплового режима приводит к необходи55 . мости установления скоростей тепло- вой обработки, соответствующих наиболее неблагоприятным в указанном

Т вЂ” температура стенок камеры с печи;

Т вЂ” температура воздуха в камере печи;

Т вЂ” температура окружающего

К воздуха;

Т, — температура воздуха, подаааеМого в печь;

П вЂ” периметр внутренней камеры печи, П вЂ” средний периметр сечения печи;

- h — - расстояние от начала камеры печи до рассматриваемого сечения;

С вЂ” удельная теплоемкость воздуха; G - расход воздуха, проходящего через камеру печи; количество энергий,подаваемой от нагревателей на единицу площади стенок камеры в единицу времени, е — коэффициент теплопередачи

< от. внутренних стенок печи

714943

1 бильность теплового режима обработки продукции, так как Т Ф const и т

Ф const что снижает качество и производительность.

Цель изобретения — повышение качества изделий.

Это достигается тем, что при отклонении температуры, измеренной термопарой, от заданной при номинальном

I тепловом режиме изменяют как энергию, подводимую нагревателями, так и энергию теплоты подаваемого в тепловую камеру газа. При этом между указанными двумя составляющими предлагается поддерживать следующее соотношение:

Ф

K(0(,g

Q< -=. — — ----- .х

К++ OL

2Р х (5) Я где Q 1 — количество энергии, подаваемой от нагревателей на

25 единицу площади стенок тепловой камеры в единицу времени;

Ц, — количество энергии,подаваемой воздухом, на единицу

30 площади стенок камеры в единицу времени;

Т - температура подаваемого воздуха в номинальном режиме.

Это соотношение получается следующим образом, Для стабильности нагрева обрабатываемой продукции необходимо,чтобы соблюдалось условие: сопз1 T з = Тв (4 9А„, Т + — - — м р (— --)

Т., 4

100 (4) где Т вЂ” температура, измеренная термопарой; . 35

К„, — коэффициент конвективного теплообмена спая термопары;

А — коэффициент черноты спая термопары.

E существующем способе регулирова- 40 ния поддерживают Т = const эа счет изменения Я<, т.е, подводимой от нагревателей энергии. Чтобы определить, как меняются Т и Т при Т = const за счет изменения Р,, если в реальных пределах меняются, например,такие факторы теплового режима, как температура в, цехе Т„, расход воздуха G и др., с помощью электронно-вычислительной машины ЕС-1030 исследу- 50 ют систему трех уравнений (2, 3, 4), для частного случая -- нагрева про"волоки в "вертикальной эмальпечи с рекуперацией тепла.

Сравнительные результаты расчетов и экспериментов показывают несовершенство существующего способа регулирования, ибо он не обеспечивает ста(6) = const где Т, и те

+ % выражение 5. к воздуху, проходящему внутри печи; — коэффициент теплопередачи и от внутренних стенок печи в окружающую атмосферу; о, — коэффициент теплоотдачи от . внутренних стенок печи к воздуху, проходящему внутри печи, с — коэффициент теплоотдачи от наружных стенок печи в окружающую атмосферу;

8 " толщина стенки, отделяющей нагреватели от внутреннего

4 пространства печи, Б — толщина наружной стенки печи;

% - коэффициент теплопроводности стенок печи толщиною

S1l

7 — коэффициент теплопроводнос1 ти изоляции печи толщиною

Я

Из уравнения теплового равновесия измерителя температуры, находящегося в условиях лучистого и конвективного теплообмена, следует:

4 9Ам Т

= т + ->- — "- (— - -}, сСм 100

- соответственно температуры стенки и воздуха в номинальном режиме, Из формулы 6 следует, что для решения поставленной задачи должно соблюдаться условие:

Ф Ф

Т - Т ь = сопя Ь = Са (7) Используя формулы 2,3 и 7, можно получить следующее выражение, определяющее соотношение потоков энергии: ы. с

ОС Ф ос а

С= — „- — т" е

К", " - 0, из которого и получается

714943

Если изменять Ц,, и Ц, соблюдая условие формулы 5, то будет обеспе4. 4чено Т = const, Т = const в сечении эоны печи, где располагается термопара, При этом Я можно изменять

5 Z путем изменения расхода воздуха или путем изменения его температуры, Предлагаемый способ иллюстрируется на примере его применения при эмалировании проводов в тепловых камерах рассматриваемого типа с рекуперацией тепла, полученного в результате каталитического сжигания паров растворителя. 15

Эмальпечь типа BPE для эмалирования проводов диаметром 0,6-1,8 мм имеет две зоны, в каждой из которых расположены нагреватели. Каждая зона имеет свой вентилятор, который 20 возвращает часть горячего газа,после каталитического сжигания обратно в зону, В эмальпечах данного типа за катализатором имеется термопара, которая через соответствующую аппара- 25 туру автоматически регулирует заслонку на трубопроводе выброса газов, обеспечивая постоянство температуры газов за катализатором. Поэтому в пе/ чах данного типа изменение энергии, 30 подаваемой в рабочую зону газов, с учетом того, что уже имеется регулятор, поддерживающий постоянство температуры горячего газа за катализатором, может быть осуществлено путем изменения количества подаваемого в

35 рабочую зону газов.

На чертеже изображена блок-схема устройства для осуществления предложенного способа. 40

Приведенная блок-схема одинакова для каждой из двух зон печи.

Регулирование по предлагаемому изобретению осуществляется следующим образом. 45

Сответственно вырабатывается сигнал рассогласования.

Указанный сигнал поступает на регулятор 4 вырабатывающий управляющий сигнал.

Упранляющий сигнал используется по двум каналам. По одному из каналов управляющий сигнал посредством усилителя 5 изменяет мощность нагревателей 6 (О <), По другому каналу управляющий сигнал поступает на устройство 7, представляющее собой электронный функциональный преобразователь, сигнал на . выходе которого связан с входным сиг" налом однозначной функциональной связью.

Сигнал с выхода преобразователя 7 поступает на усилитель 8 мощности, изменяющей частоту вращения вентилятора 9 подачи воздуха в рабочую зону.

Таким образом, описанная система регулирует изменения мощности нагревателей от сигнала, выработанного регулятором 4, а мощность, вносимая горячим воздухом Я, регулируется преобразованным в устройстве 7 сигналом, Причем функция преобразования в устройстве 7 такова, что в конечном счете обеспечивается соотношение мощностей в следующем виде:

1n = — — — «С(;+ к ) На ЭВМ производят расчеты значений температур воздуха — Т и сте-б нок — Т для одной эоны эмальпечи при изменении температуры цеха — Т„ и температуры воздуха от катализатора — Т„ по изобретению. В табл,!

Температура в рабочей зоне печи измеряется с помощью термопары 1.Сигнал с термопарй 1 поступает на усилитель 2 найряжения. С выхода усилителя 2 сигнал подается на сравнивающее устройство 3, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный разности между заданной и фактической температурой термопары — сигнал рассогласования.

Если обозначить:

Т,„ — заданная температура термопары, 10

Й» — мощность нагревателей при номинальном режиме (при отсутствии возмущений) на единицу площади стенок камеры, то можно записать, что."

= q", + К(т,„ — Т ), (8) где К вЂ” коэффициент пропорциональности

Последнее выражение показывает, что мощность нагревателей Q npo. 1 порциональна разности температур— заданной и измеренной, причем если Т = Т, то Q, = Q<

Т„, Т„, Q(Я, > +

Ф т т „Я, ) Я", Таблица 1

Значение возМущающего

0 фактора, С

Значения температур воздуха (Tz) и стенок (T ) по высоте печи (h) о С

Т () 1

0 3,5 5 0 3,5 5

М

М

Т„40

Т„ 290 Т, 310

163 285,7 335,4

167,2 285,7 333,8

162,5 285,7 335„7 !

67,5 285,7 333,7

389,3 494,6

392,8 494,7

388,8 494,6

393,3 494,7

537, 2

536

537,5

535,9

11 71 приведены результаты расчетов температур Т и Т, при этом в ней приняты следующие обозначения:

Тс — температура стенок камеры печи;

Т - температура воздуха камеры печи;

Т - температура воздуха от катак лизатора;

Т„ - температура воздуха в цехе:, h - -расстояние от начала камеры печи до рассматриваемого сечения..

Из данных табл.! видно, что при весьма значительных возмущениях температура воздуха Т и температура . стенок Т в каждой точке по высоте зоны изменяется при использовании 9редложенного.способа регулирования йезначительно, а в сечении печи,где . находятся термопары Т. и Т, вообще не меняется, т.е, тепловой режим обработки эмальпровода достаточно стабилен.

Экспериментальная проверка предлбженного способа подтвердила правильность расчетов, при этом удалось

4943 l2 повысить скорость эмалирования ориентировочно на 10-25% и сократить относительный процент брака по сравнению с существующим способом на 10%, В то же время аналогичные расчеты и фактические данные показывают, что существующий способ регулирования не обеспечивает стабильного теп10 лового режима обработки проволоки., Соответствующие данные по известному способу регулирования приведены в табл.2. г

Из данных табл.2 видно, что при

15 тех же значениях возмущающих факторов температура воздуха и стенок колеблется в больших пределах для су ществующего способа. В частности, при изменении температуры цеха — Т е н

20 в пределах 20-40 С при существующем способе температура воздуха Т ме-ь няется в начале -зоны в пределах

160-170 С,.в конце зоны — в пределах

333,1-336 С, а по предлагаемому способу регулирования разброс соответственно меньше на 58 и 45%. Это и объясняет меньшую производительность и больший процент брака при существующем способе.

714943

Таблица 2

Значения температур .воздуха (Те) и стенок (T )

0 по высоте печи (Ь), С

Те тв

Л l

0 3,5 5

0 3 5 5

Техред М.Ходанич: - Корректор Т.Малец

Редактор Л.Письман

Заказ 4976 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

Значение возмущающего фактора, С

Т 20

Т„ 40

Тк 290

Т„310

170

283,2 333,1

288,2 336

283,5 333,6

287,8 335,5

391

391

396,5

391,7

496,8 539,6 492,5 533,6

496,5 539,5

492,8 533,7