כיצד ניתן לעצב לוחות חימום עבור מערכות בקרת טמפרטורה אוטומטיות?

במיכל כימיקלים אוטומטי, הטמפרטורה לעתים נדירות נשארת יציבה לחלוטין ללא התאמה מתמשכת. איבוד החום משתנה בהתאם לתנאי הסביבה, רמת הנוזל, תפוקת הייצור וטמפרטורת התמיסה הנכנסת. פלטת חימום שנבחרה רק לפי הספק מדורג עלולה ליצור התאוששות איטית, חריגה מופרזת בטמפרטורה או החלפה תכופה.

עבור ציפוי אלקטרוני, עיבוד PCB, תהליכים רטובים של מוליכים למחצה, והידרופטלורגיה כימית,בקרת טמפרטורת צלחת חימוםצריך להיות מתוכנן כמערכת תרמית וחשמלית שלמה.

התחל עם דרישת החום בפועל

הבקר אינו יכול לפצות על פלטת חימום בגודל שגוי.

במהלך האתחול, ניתן לפשט את האנרגיה ההגיונית הנדרשת כ:

Q=mcΔT

אֵיפֹהmהוא מסה נוזלית,cהוא קיבולת חום ספציפית, וΔTהיא עליית הטמפרטורה הנדרשת.

לייצור מתמשך, נדרש כוח נוסף כדי לפצות על אובדן חום ופתרון קר יותר שנכנס.

תהליך פשוט{0}}יחסי עומס הוא:

Pprocess=ṁc(Ttarget − Tinlet)

משמעות הדבר היא כי קיבולת המחמם הנדרשת תלויה בתפוקת הייצור וכן בנפח המיכל.

כוח גדול מדי יכול להפוך את השליטה לקשה יותר

פלטת חימום גדולה עשויה להעלות את הטמפרטורה במהירות, אך כוח מוגזם יכול להגביר את רגישות השליטה.

שקול מערכת חימום הדורשת כ-6 קילוואט בתנאים רגילים. פלטת חימום של 15 קילוואט המופעלת כאזור אחד לא מבוקר עשויה לייצר עליית טמפרטורה גדולה במהלך כל מחזור חימום.

לאחר מכן הבקר צריך לפצות על ידי קיצור מחזור העבודה או החלפת כוח בתדירות גבוהה יותר.

גישה טובה יותר יכולה לכלול מספר אזורי חימום מבוקרים באופן עצמאי.

אזורים נותנים לבקר יותר רזולוציה

לוחות חימום בקרת טמפרטורה אוטומטיתניתן לחלק למספר מעגלים חשמליים.

במהלך האתחול, מספר אזורים יכולים לפעול בו זמנית.

כאשר התהליך מתקרב לטמפרטורת היעד, ניתן להחליף אזורים בודדים או לשנות אותם בהתאם לביקוש בפועל.

לדוגמה, מערכת של 12 קילוואט המחולקת לארבעה אזורים של 3 קילוואט מספקת רזולוציית שליטה מעשית יותר מאשר מעגל בודד של 12 קילוואט.

סידור הייעוד המתאים תלוי בגיאומטריית המיכל, -חלוקת הפסדי החום, תנועת הנוזל ואחידות הטמפרטורה הנדרשת.

מיקום החיישן הוא חלק מעיצוב המחמם

ביצועי בקרת הטמפרטורה תלויים במידה רבה במקום שבו החיישן מודד טמפרטורה.

חיישן הממוקם קרוב מדי לצלחת חימום עשוי לזהות טמפרטורה מוגברת מקומית לפני שהכימיקל בתפזורת מגיע לטמפרטורת התהליך הנדרשת.

הבקר עשוי להפחית את תפוקת המחמם בטרם עת.

חיישן הממוקם באזור עם תנועת נוזל חלשה יכול לייצר בעיה הפוכה: המחמם ממשיך לפעול מכיוון שהמיקום הנמדד נשאר קריר יותר מהממוצע של התהליך בפועל.

לכן מיקום החיישן צריך לשקף את זרימת הנוזל ואת יעד הבקרה של התהליך בפועל.-

תגובת החימום חייבת להתאים לאסטרטגיית הבקרה

פלטת חימום עם אינרציה תרמית נמוכה יכולה להגיב במהירות לשינויי הספק. מסה תרמית גדולה יותר יכולה להמשיך לשחרר חום לאחר הסרת החשמל.

הבדל זה משפיע על כוונון הבקרה.

קשר אנרגיה פשוט הוא:

P = Q/t

ככל שעוצמת החימום גדולה יותר ביחס למסה התרמית המתחממת, כך הטמפרטורה יכולה להשתנות מהר יותר.

עבור מערכות מבוססות PID-, יש להתאים פרמטרים פרופורציונליים, אינטגרלים ונגזרות לתגובת החימום בפועל במקום להעתיק ממיכל אחר.

טמפרטורת פני השטח וטמפרטורת האמבטיה שונים

פלטת חימום מעבירה אנרגיה דרך פני השטח שלה לתמיסה הכימית.

לכן טמפרטורת פני השטח יכולה להיות שונה מטמפרטורת הנוזל בתפזורת.

יחסי העברת חום-פשוטים הם:

Q=hAAT

אֵיפֹהhמייצג את-מקדם העברת החום,Aאזור העברת החום-היעיל, וכןΔTהפרש הטמפרטורה.

אם העברת החום מוגבלת על ידי זרימה לקויה, משקעים או סידור לוחות לא נוח, ייתכן שיידרש הפרש טמפרטורה גדול יותר כדי לספק את אותו קצב חימום.

זו הסיבה שהגדלת כוח המחמם אינה תמיד הפתרון הנכון להאטה של ​​התאוששות הטמפרטורה.

מיתוג חשמלי חייב להתאים לשיטת הבקרה

בקרת טמפרטורה אוטומטית יכולה ליצור החלפה תכופה.

מגעים מכניים עשויים להתאים למחזורי עבודה מסוימים, בעוד שיישומי מחזור- גבוהים עשויים לדרוש ארכיטקטורת מיתוג שונה.

התכנון החשמלי צריך לשקול זרם נקוב, תדירות מיתוג, פיזור חום, תנאי מתחם ותיאום מגן.

גם איכות הטרמינל משנה. התנגדות מגע מקומית מייצרת חום לפי:

P = I²R

הפעלה מתמשכת של זרם- גבוה עלולה אפוא לחשוף חיבורים חלשים גם כאשר גוף החימום עצמו נשאר בריא.

בדיקות מפעל צריכות לכלול התנהגות בקרה

הערכת מפעל שימושית יכולה לכלול:

בדיקת בקרת הטמפרטורה בפועל-ת צריכה להשתמש בתנאים המייצגים את הציוד המיועד בכל עת מעשי.

רכש צריך לציין את מערכת הבקרה המלאה

מפרט לוח חימום צריך לזהות מתח מדורג, הספק כולל, מספר אזורים, שיטת בקרה, סוג חיישן ומיקום, טווח טמפרטורות צפוי, חובת מיתוג ויציבות הטמפרטורה הנדרשת.

עבור ציוד כימי מותאם אישית, לוח החימום צריך להיות מתוכנן סביב אסטרטגיית הבקרה במקום לבחור באופן עצמאי מהבקר.

אמיןלוח חימום בקרת טמפרטורה אוטומטיתמשלב גודל הספק מתאים, תצורת אזור, מיקום חיישנים, מאפייני העברת חום- ומיתוג חשמלי.

כאשר גורמים אלו מתואמים במהלך התכנון, בקרת הטמפרטורה הופכת חלקה יותר, ניתן להפחית מיתוג מיותר, ומערכת החימום מתאימה יותר לתהליך הייצור בפועל.