Курсовые работы / Курсоваяк / Выбор

4. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

4.1 Ж и д к о с т н ы й с м е с и т е л ь

Резервуары для компаундирования или смесители емкостью от 1 до 20 м³ обычно обогреваются и снабжены мешалками. Оптимальное перемешивание достигается при помощи пропеллерных мешалок, обеспечивающих необходимую интенсивность перемешивания. Пропеллерные мешалки устанавливаются в резервуарах с выпуклым днищем, во избежание образования застойных зон.

Производим выбор аппарата с механическим перемешивающим устройством по ГОСТ 20680-75 [2, стр.187]. ГОСТ распространяется на аппараты для проведения физико-химических процессов с =2000 кг/м³, =500 Пас при температуре от -40 до 350 ^оС объемами V=0,1-100 м³. Согласно ГОСТ аппараты выпускаются 10 типов. В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства - змеевики. Выбираем тип 4:5, высоту корпуса принимаем из унифицированного ряда по ГОСТ 9931-85. В результате имеем корпус типа ВЭП-2 (вертикальный с эллиптическим днищем и плоской крышкой) [2, стр.185]:

- номинальный объем V_ном=1 м³;

- диаметр корпуса D=1000 мм;

- высота корпуса =1375 мм;

- высота заполнения аппарата (0,8)=l=1100 мм;

- площадь внутренней поверхности S=5,4 м².

Произведем выбор механического перемешивающего устройства. Для интенсификации технологических процессов требуется большая затрата мощности, поэтому целесообразно использовать аппарат с меньшим D/d_m, где d_m - диаметр перемешивающего устройства. Пропеллерные перемешивающие устройства являются быстроходными. Для обеспечения указанного выше критерия выбираем D/d_m=2 [2, стр.174]. Учитывая, что D=1000 мм, то d_m=500 мм

Перемешивающие устройства приводятся во вращение от электродвигателя через стандартные редукторы для снижения частоты вращения валов перемешивающих устройств до требуемых. Наибольшее распространение получили приводы, устанавливаемые на крышке аппарата. Выбираем двигатель серии 4АС (с повышенным скольжением), работающие в повторно-кратковременном режиме - 4АС100S4У3 [2, стр.247] Технические характеристики двигателя:

- Р_ном=4,25 кВ - номинальная мощность;

- n_ном=1395 об/мин - частота вращения;

- U_{у ном}=380 В - напряжение управления;

- М_п / М_ном=2 - отношение пускового момента к номинальному;

- J=1.1210^-2 кгм² - момент инерции.

Определим передаточные функции всех составляющих элементов аппарата для приготовления СОЖ.

1) Передаточная функция жидкостного смесителя.

Входными переменными смесителя являются расход и концентрация масла и присадок F₁,Q₁ и F₂, Q₂, а выходной концентрация, при чем Q₁>Q>Q₂.

Для нахождения уравнения динамики смесителя составим полный материальный баланс, а также материальный баланс с учетом концентрации вещества в каждом потоке за промежуток времени dt.

(3)

(4)

Преобразуем уравнение (4) с учетом формулы (3)

(5)

Линеаризуем уравнение (5), заменив каждую переменную на сумму базисного значения и приращения. Получим:

(6)

Уравнение смесителя при равновесном состоянии имеет вид:

(7)

Вычтем почленно уравнение (7) из уравнения (6), одновременно учитывая, что , и получим уравнение смесителя в приращениях:

Введем:

Проведя математические преобразования, получим:

,

где

коэффициенты усиления по каналам Q₁-Q, Q₂-Q, F₁-Q, F₂-Q соответственно, а - постоянная времени объекта.

Передаточная функция объекта по его каналам описывается равенством:

Общая передаточная функция:

, (8)

где Т_с=Т₀=,

к_с=к₁+к₂+к₃-к₄=

Подставим в (8) следующие исходные данные:

V=1 м³ - общий объем приготовленной СОЖ;

Q₀=1 - концентрация СОЖ;

Q₁₀=0,6 - концентрация масла;

Q₂₀=0,4 - концентрация присадок;

F₀=0,0777 м³/с - расход СОЖ;

F₁₀=0,0555 м³/с - расход масла;

F₂₀=0,0222 м³/с - расход присадок.

Получим:

Передаточная функция двигателя ищется в следующем виде [22, стр. 156]

, (9)

Для расчета передаточной функции определим следующие величины.

1. Номинальный вращающий момент:

Н/м.

2) Пусковой момент вращения:

М_п=2М_ном=100,52=201 Н/м.

3) Механическая постоянная:

.

4) Коэффициент демпфирования:

.

5) Коэффициент усиления двигателя:

.

6) Постоянная времени двигателя:

Таким образом, формула (9) будет иметь вид:

.

2. Н а с о с

Для передачи вязких жидкостей, таких как масло (готовая СОЖ) используются шестеренные насосы. Преимущество насосов такой конструкции состоит в том, что они не имеют клапанов, легкие и компактные, реверсивные, непосредственно соединяются с электродвигателем. Кроме того, они надежно работают, долговечны и обеспечивают равномерную подачу, что немаловажно при подаче готового масла (СОЖ) в цеховую магистраль. Шестеренные насосы можно использовать в качестве насосов-дозаторов. Для подачи масла и перекачки СОЖ в бак используются агрегаты (насосы с приводным двигателем) типа Ш40-6-18/4, а для подачи присадок - Ш5-25-3,6/4. Технические характеристики приведены в таблице 2.[14, стр.188]

Таблица 2

Технические характеристики шестеренных насосов

	Ш40-6-18/4	Ш5-25-3,6/4
Подача, м3/ч	18	3,6
Давление нагнетания, кгс/см2	4	4
Частота вращения с-1 (об/мин)	16,3 (980)	24,2 (1450)
Тип двигателя	4A132S6У3	4A90L4У3
Мощность, кВт	5,5	2,2
Момент инерции, кгм2	0,021	0,5610-2
Мп / Мном	2	2

Для определения теоретической подачи Q_т шестеренных насосов используется формула:

, (10)

где А - расстояние между центрами шестерен.

Таким образом, подача СОЖ ставиться в прямую зависимость от частоты вращения шестерен, а сам насос можно рассматривать как пропорциональное звено с передаточной функцией , где k_н - коэффициент усиления, определяется из соотношения:

Тогда передаточная функция агрегата (насоса совместно с двигателем) запишется следующим образом:

. (11)

В соответствии с значениями, приведенными в таблице 2, с использованием формул (9) - (11) получим следующие передаточные функции:

;

.

4.3 Т и р и с т о р н ы й п р е о б р а з о в а т е л ь н а п р я ж е н и я

Для коммутации силовых цепей переменного тока разработано много типов электрических аппаратов: автоматические выключатели, электромагнитные контакторы и другие. Большинство из них основано на механическом взаимодействии отдельных узлов и деталей. Наличие подвижных деталей обуславливает инерционность процессов замыкания и размыкание электрических контактов. Обычно время включения и выключения таких аппаратов находится в диапазоне от десятых до сотых долей секунды в зависимости от типа коммутационного аппарата. [19, стр. 210]

Наибольшее применение в современном автоматизированном электроприводе получили тиристорные преобразователи (ТП) напряжения, которые обладают следующими достоинствами:

- высокие значения КПД и коэффициента усиления;

- безинерционность;

- способность допускать большие токи (десятки и даже сотни ампер) при значительных напряжениях;

-минимальные габаритные размеры и масса.

Выбираем тиристорный преобразователь на основе симметричного тиристора КУ208Г, предназначенного для работы в качестве переключающих элементов средней мощности для устройств автоматического регулирования и коммутации цепей силовой автоматики на переменном токе [18, стр.65]. Передаточная функция тиристорного преобразователя мощности с питанием на переменном токе запишется следующим образом [22, стр.55]:

(12)

Коэффициент усиления к_тп тиристорного преобразователя по току:

.

Постоянная времени тиристорного преобразователя:

с.

Тогда передаточная функция тиристорного преобразователя:

.

4.4 К л а п а н э л е к т р о м а г н и т н ы й

Для перекрытия трубопроводов используются вентиль запорный с электромагнитным приводом 13с803. Данный тип вентиля предназначен для работы в качестве запорных механизмов на трубопроводах для воздуха или неагрессивной среды. Принцип действия заключается в том, что золотник, перемещаясь под действием электромагнита, перекрывает каналы связи. Конструктивное исполнение - проходной, род тока - постоянный 12 В. В данной системе применяются клапаны с двумя диаметрами условного прохода: 10 и 40 мм (по 10 мм - для пробоотборника) [1, стр.318].

Данный элемент имеет релейную однозначную характеристику с зоной нечувствительности. Характеристика клапана выражается следующим образом:

Для получения передаточной функции нелинейного элемента (НЭ) воспользуемся методом гармонической линеаризации. В этом случае передаточной функцией нелинейного элемента называется отношение амплитуды первой гармоники выходного сигнала НЭ к амплитуде входного гармонического сигнала. Такое допущение в представление процессов, происходящих в нелинейной системе, позволяет со степенью приближения, достаточной для практических расчетов, определять условия устойчивости, судить о возможности возникновения автоколебательных режимов. На этой базе можно также давать оценку качества процесса регулирования и производить его корректирование [22,стр.467].

Принимая во внимание сказанное выше об определении приблизительной передаточной функции НЭ, можно видеть, что она представляет собой комплексный коэффициент усиления W_н=к_{н .} Так как нелинейность является однозначной, то к_н является вещественной функцией и определяется следующим образом [5, стр.345] :

, (13)

где , а U^*=14 В - максимальная амплитуда входного сигнала.

Тогда А=1,17 , cos=0,515 ,а коэффициент усиления примет следующую зависимость от пропускной способности клапана:

(14)

Определим пропускные способности клапанов, учитывая, что их диаметры и давление в трубопроводах различные. В соответствие с нумерацией на функциональной схеме имеем:

1) Клапаны 6,7 (на выходе из бака готовой СОЖ).

Диаметр условного прохода клапана: D₆=D₇=40 мм

Давление на выходе из бака определим следующим образом:

p₁=gH+р_атм=9009.811+10⁵=108820 Па.

Тогда пропускную способность определим по формуле [16, стр.34]:

(15)

м³/ч

2) Клапан 9 (на входе пробоотборника) при диаметре D₉=10 мм и давление p₁=108820 Па по формуле (15) получим V₉=4,4 м³/ч

3) Клапан 10 (на выходе пробоотборника) имеет диаметр D₁₀=10 мм, а давление на выходе пробоотборника:

p₂=gh+р_атм=9009,810,25+10⁵=102207 Па.

По формуле (15) получим V₁₀=4,26 м³/ч.

4) Клапан 8 (на выходе системы) имеет диаметр D₈=40 мм.

Давление на выходе системы:

р₃=р₁+р₂=108820+102207=111027 Па

По формуле (15) получим V₈=71,05 м³/ч.

Подставляя найденные значения пропускной способности клапанов в формулу (14), получим следующие передаточные функции (комплексные коэффициенты усиления):

W_н1=к_н6=к_н7=0,07970,3=5,55;

W_н2=к_н8=0,07971,05=5,6;

W_н3=к_н9=0,0794,4=0,35;

W_н4=к_н10=0,0794,26=0,34.

4.5 Б а к г о т о в о й м а с л я н о й С О Ж

Бак готовой СОЖ представляет собой цилиндрический аппарат емкостью 2 м³, корпус типа ВПП (вертикальный с плоским днищем и крышкой). По ГОСТ 9931-85 габаритные размеры принимаются следующими, [2, стр.187]:

D=1400 мм - диаметр корпуса;

L=1375 мм - высота корпуса;

h₀=1000 мм - высота заполнения аппарата.

Передаточная функция бака выглядит следующим образом, [22, стр.57]:

(16)

где - коэффициент усиления;

- постоянная времени,

причем: р₁=р_н=4 кгс/см²=392457 Па - давление на входе в бак (давление нагнетания насоса);

р₂=gh₀+р_атм=9009.811,4+10⁵=108820 Па - давление на выходе из бака;

=g=9009,81=8829 Н/м³ - удельный вес СОЖ;

q - минимальный расход жидкости.

При расчете последнего параметра по формуле (15), принимая р=р₂=108820 Па, D=40 мм, получим q=0,019 м³/с.

С учетом приведенных значений по формулам (16) произведем расчет передаточной функции бака.

;

с.

4.6 П р о б о о т б о р н и к

В качестве пробоотборника используются металлическая емкость, имеющая габаритные размеры 300х200х200 и максимальную высоту наполнения 0,25 м. Для расчета передаточной функции пробоотборника использованы формулы (15), (16). Давление на входе и выходе, а также расход СОЖ определены в пункте 4.4, при расчете клапанов. С учетом этого, имеем: