Информационно-управляющая система расчетного прогнозирования предварительной тепловлажностной обработки слоев гофрокартона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационно-управляющая система расчетного прогнозирования предварительной тепловлажностной обработки слоев гофрокартона

Кокуев Андрей Геннадьевич,

аспирант, старший преподаватель кафедры Автоматизация технологических процессов Астраханского Государственного Технического Университета.

Нестационарный режим нагрева листового материала в процессе тепловлажностной обработки (ТВО) составляет основу технологии изготовления многих материалов: картона, бумаги, гофрированного картона и т.п. Функционирование установок ТВО предполагает обязательное получение информации о характере распределения температуры по толщине перерабатываемого материала, закон изменения которой определяет те или иные стороны качественного ведения процесса. В то же время труднодоступность или полная недоступность точек контроля температуры в некоторых объектах делает невозможным ее автоматизированное измерение [2]. нагрев автоматизированный тепловлажностной картон

В практике управления подобными объектами распространен вариант «эталонных» решений, когда для различных сочетаний известных характеристик сырья и режимов тепловой обработки составляется библиотека фактических реализаций изменения теплового состояния перерабатываемого материала.

Недостаточность и низкое качество информации о режиме тепловой обработки не позволяют в настоящее время эффективно управлять процессом производства гофрокартона [3]. В связи с этим актуальна постановка вопроса создания такой информационно-управляющей системы, которая бы представляла оператору подробную информацию о динамике теплового и влажностного состояния перерабатываемого материала, учитывая при этом изменение условий функционирования объекта, а также выдавала ему рекомендации о характере управляющего воздействия.

Сложность решения этой задачи традиционными методами обуславливается многими факторами, основными из которых являются: недоступность некоторых участков для прямого измерения, отсутствие надежных технических средств автоматического измерения профиля температуры и влажности по толщине непрерывно движущегося полотна, особые свойства материала (низкая прочность, наличие вырывов), не позволяющие применить известные технические средства контроля температуры.

Наиболее перспективным вариантом решения этой проблемы является разработка компьютерной системы расчетного прогнозирования теплового и влажностного состояния перерабатываемого материала, которая бы являлась дополнительным контуром существующей системы управления режимом тепловлажностной обработки [9]. В свою очередь, переход к компьютерному варианту системы управления требует создания соответствующей математической модели объекта, выходными переменными которого являются изменяющиеся во времени профили температуры (T_A (x, ф) ) и влажности (W_A(x, ф) ) полотна в конечной точке участка. Входными переменными данного объекта являются: начальная температура и влажность полотна (T₀, W₀), его толщина (д) и масса 1м² (m), скорость движения (v), температура пара (T_п), угол охвата (ц) и сила натяжения движущегося по поверхности цилиндров материала (F).

Существующие методы аналитического моделирования процессов тепломассообмена базируются на их раздельном описании без учета динамики взаимовлияния друг на друга, и, как правило, не отражают сильнонеравновесное состояние каждого в отдельности, что снижает точность отображения реального характера изменения температуры и влажности полотна.

Наиболее полное отображение совокупной связи процессов, учитывающее нелинейный характер их влияния друг на друга возможно на основе применения энергоинформационного метода (ЭИМ) [10], в котором совокупность связанных процессов различной физической природы представляется в виде аналога нелинейной электрической цепи.

Важным звеном в методологии ЭИ-моделирования является избранный способ представления структуры реальной цепи. Современная концепция ее построения базируется на принципах линейной неравновесной термодинамики, устанавливающих ячеечный способ отображения термодинамической системы [1]. Каждая выделенная в исследуемом объеме цепь определенной физической природы разбивается на элементарные ячейки, свойства которых описываются теми же характеристиками, что и сама цепь: входная величина - обобщенный потенциал на ее границах, выходная - поток обобщенного заряда I, действующий внутри ячейки. Размеры этих физически малых частей системы и время изменения термодинамических параметров в них определяются из тех соображений, что, с одной стороны, элементарный объем содержит большое число частиц, а с другой - неоднородности макроскопических параметров по длине малы по сравнению со значениями этих параметров.

Привлекательная черта этого метода - относительная простота отображения модели процесса, его взаимосвязи с другими, подготовки исходных данных и реализации вычислительного процесса. С точки зрения метода аналогий для процесса любой физической природы можно построить ЭИ модель, которая будет являться его аналогом. Её построение обуславливает выделение в объекте цепей той физической природы, которые в нем протекают.

Так тепловую систему гофролинии можно представить в виде комбинации четырех цепей: пневматической, гидравлической, тепловой и диффузионной. С помощью пневматической цепи описываются процессы переноса тепла паром, гидравлической - перенос жидкости (конденсата), модель тепловой цепи отображает процесс переноса тепла в стенках греющего оборудования (подогревающих цилиндров, греющих плит), диффузионная цепь - одновременный перенос тепла и влаги в полотне картона (бумаги) [4, 5].

Модель самой цепи составляется набором ячеек, характеристики которых полностью отображают свойства исследуемой субстанции. Например, тепловая и диффузионная ячейки характеризуются свойствами проводимости теплового (диффузионного) заряда и накоплением его в неподвижном состоянии. Ячейки пневматической и гидравлической цепей дополнительно могут аккумулировать движение заряда. Вышеуказанные свойства ячеек отображают их электрические аналоги соответственно: резистивные, емкостные и индуктивные элементы.

Выявление параметров тепловой цепи и связь их с физическими переменными рассмотрим на примере передачи теплоты через сложную стенку изотропного тела (рис 1.).

Рис. 1. Тепловая модель многослойного исследуемого тела.

Пусть теплота передается посредством теплопроводности без совершения полезной работы. Используя известные законы, можно записать:

где T₁ , T₂ - температуры обеих сторон стенки [K]; K_тп- коэффициент теплопередачи, [Вт/м²/K]; dQ/dt - тепловой поток через стенку [Вт]; F - площадь поперечного сечения стенки [м²]; _i - толщина i-го слоя стенки [м]; _i - коэффициент теплопроводности i-го слоя [Вт/м/K]; _i - коэффициент теплоотдачи i-го контактного слоя [Вт/м²/K].

Переходя к понятию энтропии, предыдущее уравнение перепишем в виде

Принимая во внимание, что изменение энтропии (dS₁/dt) есть тепловой ток, а T₁, T₂ - соответственно тепловое напряжение U₁, U_2,уравнение представим в виде

Приведенная формула является базовой для получения уравнений статической проводимости и сопротивления:

где max(U_w1,U_w2) - наибольшее значение одного из двух тепловых напряжений.

Для выявления тепловой ёмкости твердого тела рассмотрим накопление теплоты в твердом теле сложного состава. Известно, что энтропия такого тела связана с его температурой уравнением

где C(T) - теплоёмкость сложного тела, [Дж/K]; c(T)_i- удельная теплоёмкость i-го компонента тела, [Дж/кг/K?] ; m_i- масса i-го компонента тела, [кг];

N- число компонентов тела; T- абсолютная температура тела, [K] ;

Переходя к терминологии цепей, можно записать:

где C(U_w + T_ос) - теплоёмкость сложного тела в функции от (U_w+ T_ос), [Дж/K].

Выражение, стоящее в правой части, является тепловой дифференциальной ёмкостью. Из нее выводятся выражения для определения статической тепловой ёмкости, а также статической тепловой жёсткости.

Если предположить, что удельная теплоёмкость вещества не зависит от температуры, то получаем:

где C - теплоёмкость тела, не зависящая от температуры, [Дж/K];

Элементы тепловой цепи, накапливающие энергию по индуктивному принципу, в настоящее время неизвестны, поэтому выявление тепловой индуктивности не производится.

Данная модель позволяет решать задачу выбора энергоэкономичного режима работы тепловых узлов гофроагрегатов. При этом по заданной скорости и массе 1м² бумаги подбирается необходимый режим нагрева гофровалов, углы охвата и т.д.

По представленной методологии был разработан ряд алгоритмов и созданы программные продукты расчета тепловлажностного состояния плоских слоёв картона и бумаги для гофрирования на различных участках гофролинии [6, 7, 8]. В процессе работы ЭВМ считывает информацию, поступающую с датчиков, и на ее основании, используя модель расчета, определяет поперечные профили температуры и влажности в полотне. Полученные результаты расчета температурного и влажностного полей сравниваются с заданным распределением этих параметров, и вырабатывается сигнал изменения задания контроллеру скорости. На мониторе ЭВМ отображается динамика изменения температуры, и влажности полотна на всем пути его движения в реальном масштабе времени. Помимо этого предусмотрено изображение процесса распространения теплоты и влаги в бумаге в условных цветах.

Литература

1. Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества. М., ВНИИПИ,1988, 124 с.

2. Кокуев А.Г., Карбышев Д.В., Филин В.А. Приборно-вычислительный комплекс экспресс-анализа динамики нестационарного температурного поля тонколистового материала // Приборы.- 2002.- № 10.- С. 66.

3. Кокуев А.Г., Карбышев Д.В., Филин В.А. Совершенствование системы управления процессом предварительной термовлажностнойобработки плоских слоёв картона // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов): Тр. Междунар. науч-практ. конф.- М.: Изд-во МГАУ, 2002.- Т 2.- С. 226-229.

4. Кокуев А.Г., Прохватилова Л.И. Моделирование режима тепловлажностной обработки гофрированного картона // Сборник трудов международной научной конференции ММТТ-18-Казань: Изд-во КГТУ, 2005. - с.152-153

5. Кокуев А.Г., Прохватилова Л.И. Модель расчетного прогнозирования тепловлажностного состояния однослойного картона // Сборник трудов международной научной конференции ММТТ-20- Ярославль:Изд-во ЯГТУ, 2007

6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610070. Определение времени и места склеивания гофрированного картона / Кокуев А.Г., Филин В. А., Карбышев Д. В.; Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 22.01.2002.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610566. Модуль отображения распространения тепловой волны в твердом теле / Филин В. А., Карбышев Д. В., Крупский В.А., Буйлов К.В., Булыгина М.А.,Кокуев А.Г.,; Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 19.04.2002.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611424. Corrugator: Программный комплект моделирования режима тепловлажностной обработки трехслойного гофрированного картона / Кокуев А.Г., Степаненко А.А.; Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24.05.2004.

9. Филин В. А., Кокуев А. Г. Информационно-вычислительная система контроля режима тепловлажностной обработки рулонного материала // Приборы.- 2001, № 10 (16).- С. 23-25.

10. Филин В.А., Кокуев А.Г., Карбышев Д.В. Информационно-вычислительная система контроля теплового режима гофрирования бумаги // Приборы.- 2002.- № 10.- С. 66-68.

Размещено на Allbest.ru