Регулирование температуры в печах с газовым обогревом

Регулирование температуры

Автоматическое регулирование теплового режима необходимо для:

- поддержания заданной температуры нагрева и равномерности нагрева;

- рационального использования тепловой энергии;

- более точного регулирования параметров, зависящих от температуры (например, углеродного потенциала при ХТО);

- безопасной работы системы нагрева.

Конструкция регулятора температуры зависит от конструктивных особенностей термического оборудования, в первую очередь – от источника тепловой энергии.

Источником тепла в термическом оборудовании является:

- энергия горения топлива (в основном – газа);

- энергия электрического тока.

Для регулирования температуры используют изменение условий горения топлива, либо условий протекания электрического тока.

Рассматриваемые печи имеют загрузку в сотни и более килограммов. Для обеспечения требуемой температуры обработки необходимы большие расходы газа и воздуха. В этом случае наиболее просто применять для управления тепловым режимом регуляторы расхода прямого действия, использующие внутреннюю энергию регулируемой среды.

Максимальному тепловыделению в рабочем пространстве соответствует полное сгорание газа, которое возможно при оптимальном соотношении расходов газа и воздуха. Для обеспечения этого условия используют инжектор или струйный насос.

Тепловой режим печи зависит от суммарного расхода газо-воздушной смеси. Для его изменения используют мембранный исполнительный механизм (МИМ).

Известны две модификации инжектора:

- с активной газовой струей;

- с активной воздушной струей.

Принцип действия их одинаков. Рассмотрим упрощенную схему инжектора с активной газовой струей.

1 - труба подачи газа;

2 - форсунка;

3 - расширительная камера;

4 - шайба расхода воздуха;

Q _г (Q _в) - расход газа (воздуха);

Q _г+ Q _в - расход газо-воздушной смеси.

Подающийся по трубе 1 газ расходом Q _г попадает в форсунку 2 (сужающее устройство) и затем в расширительную камеру 3. Давление в расширительной камере 3 падает, что создает тягу и увлекает воздух в зону горения. Инжектор обеспечивает расход воздуха пропорционально расходу газа:

Q _в = k×Q _г, где k» const.

Регулировка шайбы расхода воздуха 4 обеспечивает оптимальное соотношение расходов газа и воздуха, что обеспечивает полное сгорание:

Q _в/ Q _г» k _опт.

Недостатком инжектора является то, что оптимальное горение обеспечивается в ограниченном диапазоне входных давлений и расходов.

Для управления тепловым режимом печи используют мембранный исполнительный механизм (МИМ), проходное сечение которого зависит от давления в мембранной коробке.

1 - верхняя камера;

2 - нижняя камера;

3 - седло клапана;

4 - затвор клапана;

5 - шток;

6 - мембранная коробка;

7 - мембрана;

8 - возвратная пружина;

Δ - кольцевой зазор;

p ₁, p ₂ - управляющие давления;

Q - регулируемый расход.

Мембранный исполнительный механизм имеет полости верхней камеры 1 и нижней камеры 2, разделенные перегородкой, в которой выполнено седло клапана 3. Затвор клапана 4 связан штоком 5 с мембраной 7, размещенной в мембранной коробке 6.

В зависимости от разности управляющих давлений p ₁ и p ₂ изменяется прогиб мембраны 6. Этот прогиб передается на затвор клапана 4, что изменяет зазор Δ (проходное сечение) между полостями 1 и 2. Соответственно проходному сечению изменяется и расход Q. Причем

С× (p ₁– p ₂); p ₁> p ₂;

0; p ₁£ p ₂,

где С – константа.

Возвратная пружина 8 закрывает клапан в аварийных ситуациях.

Рассмотрим схему управления тепловым режимом топливной печи.

1 - топливная печь;

2 - инжектор;

3 - радиационная труба;

4 - датчик температуры;

5 - электронный потенциометр с пневматическим выходом;

6 - мембранный исполнительный механизм;

- пневматический сигнал управления температурой.

Тепловой режим печи 1 зависит от суммарного расхода газо-воздушной смеси, поступающей через инжектор 2 в радиационную трубу 3. Для измерения температуры используют датчик 4 (например, термоэлектрический преобразователь), подключенный к электронному потенциометру 5 с пневматическим выходным сигналом .

Для управления температурным режимом используют мембранный исполнительный механизм 6, установленный в магистрали подачи газа. Газ поступает в инжектор, где смешивается с необходимым для горения воздухом.

Обычно в топливных печах реализуют непрерывное регулирование температуры. Например, для ПИ – закона регулирования можно записать:

= k _р· ε + 1/ Т _и · εdτ.

Поскольку Q _г = С · , расход газа будет изменяться пропорционально управляющему давлению, т.е. в соответствии с отклонением ε.

Инжектор увлекает в зону горения необходимое количество воздуха

Q _в» k _опт· Q _г.

Однако расход воздуха Q _в имеет оптимальное значение в ограниченном диапазоне расходов газа Q _г. Это приводит к дополнительной погрешности регулирования температуры и не соответствует экологическим требованиям.

Для повышения качества управления тепловым режимом используют более сложные схемы (с дополнительным контуром обратной связи по расходу воздуха). Рассмотрим одну из них.

1 - топливная печь;

2 - инжектор;

3 - радиационная труба;

4 - датчик температуры;

5 - электронный потенциометр с пневматическим выходом;

6 - МИМ расхода газа;

7 - МИМ расхода воздуха;

8,9 - расходные шайбы;

– пневматический сигнал управления температурой;

p _г (p _в) - пневматические сигналы, соответствующие расходу газа (воздуха).

Работа устройства аналогична работе рассмотренной ранее схемы. Отличие состоит в том, что в инжектор поступает дозированный расход воздуха, которым управляет МИМ расхода воздуха 7. Для его функционирования необходимы пневматические сигналы p _г и p _в, соответствующие расходу газа и воздуха. Эти сигналы формируются на расходных шайбах 8 и 9 (местных сужающих устройствах), установленных в магистралях подачи газа и воздуха.

Как и в предыдущей схеме, расход газа будет изменяться пропорционально управляющему давлению, т.е. в соответствии с отклонением ε:

Q _г = C _г · = C _г·(k _р· ε + 1/ Т _и εdτ).

Однако расход воздуха Q _в будет определяться следующим образом:

Q _в = С _в·(p _г – p _в) = С _в·(ξ _г Q _г – ξ _в Q _в),

где ξ _г, ξ _в - местное сопротивление расходных шайб 8 и 9. После преобразования получим:

Q _в = k _опт· Q _г.

Рассмотренное устройство обеспечивает расход воздуха в точном соответствии с расходом газа. Это обеспечивает полное сгорание газа во всем диапазоне расходов и, соответственно, высокое качество управления температурой и экологическую чистоту.

Для регулирования температуры можно использовать ряд других устройств, которые будут рассмотрены в разделе «Регулирование давления и расхода».

Дата добавления: 2014-01-14