（机械设计及理论专业论文）环保型多功能蒸汽灶及灶具研制.pdf

摘要 目前中国传统食品的加工方法仍然十分落后 加工卫生条件差 火灾隐患多 对环 境的污染也较大 根据以上的实际情况 河南省设立了一个星火计划项目 环保型多 功能蒸汽灶 环保体现在利用电作为能源 产生蒸汽作为热源 实现食品的加工 利用蒸汽实现 食品加工有以下优点 一 无污染 二 利用率和热效率高 三 蒸汽加热时 锅内的 水位可以保持平衡 也不会产生过多的重金属和杂质的沉淀物 多功能是指对蒸汽的多 种利用方法 例如蒸 煮 消毒等 蒸汽灶包括蒸汽发生器和蒸汽使用设备 蒸汽发生器采用电蒸汽锅炉 可以实现压 力控制 水位控制和安全控制 设备的控制最终利用单片机实现 蒸汽使用设备包括 六头蒸汽灶 蒸汽煮锅 蒸汽高压锅 蒸汽消毒柜和蒸汽豆浆机等设备 本课题的研究内容分为三个部分 第一 电蒸汽发生器及辖助系统研究 第二 实验数据以及节能分析 第三 多功能蒸汽使用设备及定时报警器的研制 根据本项目工程技术的要求 首先 对电蒸汽发生器确定合理的方案 利用a u t o c a d 设计出锅炉内容器 加热组 安全阀 连接管道等机械图纸 再对锅炉的水处理系统以 及外分汽缸做出合理的设计 根据产品的要求选择不同控制功能 基本的功能包括压力 控制 水位控制 安全控制和节能控制 其次 针对不同的蒸汽利用方法 设计出不同 的蒸汽使用设备 用a u t o c a d 绘制图纸并加工出样品 最后 通过长期对蒸汽发生器以 及蒸汽使用设备的实验数据分析 建立不同条件下功耗的数学模型 推导出功耗的函数 计算公式 并对蒸汽使用设备对食品加工时的耗电成本进行分析 本项目的最终目标是以电蒸汽发生器为基础 研制开发多种蒸汽灶具 对蒸汽充分 高效的利用 从而完成一个环保型多功能蒸汽灶系统 关键词 电蒸汽发生器多功能蒸汽灶具定时报警数学模型节能分析 a b s t r a c t r e c e n t l yt h ep r o c e s so fc h i n e s et r a d i t i o n a lf o o di ss t i l lu n d e v e l o p e d w i t hp o o rc o o k i n g u t e n s i l s s a n i t a t i o n s e c u r i t ya n dp o l l u t i o nt oc i r c u m s t a n c ei sw o r r y i n g t h e r e f o r eh e n a n p r o v i n c ed e s i g n e dap r o j e c t e n v i r o n m e n t a lm u l t i f u n c t i o ns t e a mg e n e r a t o r a d o p t e de l e c t r i c i t ya sp o w e rt h em a c h i n ep r o c e s sf o o dw i t hs t e a m t h i sp r o c e s sh a s m a n ya d v a n t a g e s f i r s t l y n op o l l u t i o n s e c o n d l y u t i l i z a t i o nr a t i oa n dh o te f f i c i e n c ya r eh i g h t h i r d l y h e a t e dw i t ht h es t e a m t h ew a t e rh e i g h tc a l lk e e pe q u i l i b r i u m t h e r ew i l ln o tp r o d u c e t o om u c hh e a v ym e t a la n dp r e c i p i t a t ei nt h ep a n m u l t i f u n c t i o nm e a n sm a n yk i n d so fs t e a m u t i l i z em e t h o d s f o re x a m p l eb r a i s e c o o ka n ds t e r i l i z e e n v i r o n m e n t a lm u l t i f t m c t i o ns t e a mg e n e r a t o rc o n s i s t so fs t e a mg e n e r a t o ra n dc o o k i n g u t e n s i l s b a s i sf u n c t i o n sp r o v i d e db yb o i l e rw e r ep r e s s u r ec o n t r o l w a t e rh e i g h tc o n t r o la n d s e c u r i t yc o n t r o l t h eu l t i m a t ea i mt od e s i g nt h em a c h i n ei st or e a l i z ev a r i o u sf u n c t i o n sw i t h m i c r o c h i pc o n t r o l l e ra n dt oo p e r a t ee a s i l y u t i l i z i n gs t e a mm a c h i n ei n c l u d e s t e a mb r a i s i n g u t e n s i l s t e a mc o o k i n gu t e n s i la n ds t e a ms t e r i l i z e ra n ds oo n t h er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c ti sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s f i r s t s t e a mg e n e r a t o ra n d a c c e s s o r ys y s t e m s e c o n d e x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o n s u m i n gp o w e ra n a l y s i s t h i r d t h e m u l t i f u n c t i o nu t i l i z i n gs t e a mm a c h i n ea n d r e g u l a ra l a r m a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fe n g i n e e r i n go ft h i sp r o j e c t f i r s t l y w es h o u l dc o n f i r mt h e r a t i o n a ld e s i g np l a nt ot h ee l e c t r i c a ls t e a mg e n e r a t o r u t i l i z ea u t o c a dt od e s i g nt h e g e n e r a t o r h e a tg r o u p r e l i e fv a l v e p i p e l i n ee t c m a k i n gt h er a t i o n a ld e s i g nt ot h ea c c e s s o r y s y s t e m t h e na c c o r d i n gt ot h er e q u e s tt ot h em a c h i n ew ec h o o s ed i f f e r e n tf u n c t i o n s s e c o n d l y a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t e a mu t i l i z em e t h o d sw ed e s i g nd i f f e r e n ts t e a mu t i l i z i n gm a c h i n e s u t i l i z ea u t o c a dt od e s i g nt h e ma n dp r o c e s st h e m f i n a l l y t h r o u 曲e x p e r i m e n t a ld a t a a n a l y s i so fs t e a mg e n e r a t o ra n du t i l i z i n gs t e a mm a c h i n e w es e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n s u m i n gp o w e ru n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n d e r i v et h ec a l c u l a t ef o r m u l a ea n da n a l y z et h e p r o c e s sc o s t t h ef i n a lg o a lo ft h i sp r o j e c ti sd e s i g nm a n yk i n d so fu t i l i z i n gs t e a mm a c h i n eb a s e do n t h ee l e c t r i c a ls t e a mg e n e r a t o r t of i n i s he n v i r o n m e n t a lm u l t i f u n c t i o ns t e a mg e n e r a t o rs y s t e m k e y w o r d e l e c t r i c a ls t e a mg e n e r a t o r m u l t i f i m c t i o n s t e a mc o o k i n gu t e n s i l r e g u l a ra l a r m m a t h e m a t i c a lm o d e l c o n s u m i n gp o w e ra n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意 论文作者签名 耳苴 逾日期 立翌5 尘 丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 本 人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编 学位论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 盅 i 赵日期 边鱼 逸 导师签名 日期 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 1 1 项目的提出 第一章绪论 环保型多功能蒸汽灶及灶具的研制属于食品加工机械的范畴 人们对食品加工机械 的研究已做了大量的工作 早在十九世纪末就有这方面的论述 到了二十世纪食品加工 机械的自动化才开始受到重视 自二十世纪五十年代以来 随着自动化设计方法的发展 对食品机械的改造也在逐步扩展和深入 这方面西方国家走在我们前面 例如作为 中国入主食的馒头 在中国生产还大多处于手工作业方式时 日本人已经生产出了馒头 胚自动成型机 自动排放机 自动发酵和熟化机 生产出馒头的质量从色泽 形状和口 感上都有很大程度的提高 j 进入八十年代 中国国内的食品机械加工企业迅速发展了起来 食品的熟化 冷藏 消毒等加工工艺的改进和加工机械设各的改进等方面都做了大量的工作 并取得了显著 的成效 对于蒸汽灶来说 目前国内使用的多为柴灶 煤灶以及土制的蒸汽灶等 这些 灶所排放的有毒气体严重影响着空气的质量 传统食品例如 油条 包子 沙锅 豆腐 豆腐皮等目前使用的灶具多为柴灶和煤灶 此类灶具卫生条件差 污染严重 对其实行 整体改造势在必行 另外适合小餐饮店的小功率蒸汽锅炉的控制功能简单 智能性差 已不能满足各种需要 且蒸汽的利用率偏低 综上所述 开发出一种既环保又具有多功能的蒸汽灶及多种灶具产品是当今食品加 工机械行业的一个熏要的研究方向 1 2 项目研究的意义 进入二十一世纪 科技飞速发展 中国人的饮食文化也将得到进 步的提高 民以 食为天 人们对食品的要求也会越来越高 人们迫切地寻找一种卫生条件好 安全性高 自动程度高 操作简单的包含多种功能的食品加工器具 随着人类可用的一次能源日益 缩减 电能将成为人类可利用的主要能源 它将逐渐代替现有的煤 石油 天然气等天 然能源 利用电能进行食品加工也将被人们所接受 针对中国入的早餐饮食 包子 沙锅和豆浆等食品 其目前的加工条件令人担忧 迫切需要改进 中国的早点餐饮店数量巨大 据不完全统计在百万家以上 他们目前的 作业条件在环保和安全等方面都存在问题 因此对其进行改造也是急需解决的问题 进入八十年代 嵌入式系统开发经验就传迸了中国 目前在中国发展已经成型 技 河南工业大学硕士学位论文 术也很全面 单片机控制调试软件也可以从各种路径得到 这就为设计这种设备提供了 技术条件 目前家用的食品加工自动设备已经有很多 例如电饭煲 消毒柜等自动 化设备也为我们提供了丰富的先进设计和开发经验 本项目研发的意义 1 因为环保型多功能蒸汽灶采用电作为能源 无污染 无噪音 相对于柴灶 煤 灶 煤气灶 油锅灶等设备对环境不造成污染 并且消除了传统灶具的多种安全隐患 同时也提高了食品加工的卫生条件 2 研制多种利用蒸汽为热源的灶具 而且操作简单 例如对于传统食品包子 沙 锅 豆腐等食品加工 不仅可以实现自动加工 还可以优化食品品质 档次得以提高 生产效率 经济效益大大增加 实现传统食品加工工艺的自动化也是一种创新 3 从节能的角度考虑 蒸汽锅炉微计算机控制 是近年来开发的一项新技术 它 是微型计算机软硬件 自动控制 锅炉节能等几项技术紧密结合的产物 我国现有中 小型锅炉3 0 多万台 每年耗煤量占我国原煤产量的1 3 目前大多数工业锅炉仍处于能 耗高 浪费大 环境污染严重等的生产状态 提高热效率 降低耗电量 用微机进行控 制是一件具有深远意义的工作 1 3 项目研究的内容 本课题属河南省星火计划项目 环保型多功能蒸汽灶 项目编号 0 2 3 3 1 6 1 0 0 0 多功能蒸汽灶是以电能为动力的主蒸汽发生器与专用的蒸汽使用设备组成 本项目 中专用蒸汽使用设备包括6 灶头蒸笼 2 头蒸汽锅 蒸汽消毒柜 蒸汽豆浆机等 使用 设备具体需要可以根据用户要求来设计 整个产品组成的框图如下 i 蒸 汽厂 消 按 牛叫 c j 毒 生柜 器 分汽缸6 头蒸汽灶蒸汽锅 本课题属工程类论文课题 设计最终目标是产品设计 所以产品设计中要求针对客 户的不同需要生产同一品牌下不同型号的适合不同市场要求的设备产品 主机蒸汽发生器根据客户对压力要求的精度不同 控制设计方案也不同 如果要求 的压力精度不高 采用5 1 系列单片机w 7 7 e 5 8 作为主控制器 如果压力要求精度高 主 2 环保型多功自 蒸汽灶及灶具研制 机蒸汽发生器采用p i c l 6 f 8 7 7 微处理器 就可以利用其p w m 波输出控制功能 采用变流 技术控制大功率晶匝管例如i g b t 实现功率控制 但p w m 波控制的是直流大功率信号 不但要使用大功率的逆变器还要使用相应的整流器 锅炉微机控制系统 一般由以下几部分组成 即由锅炉本体 一次仪表 微机 手 自动切换操作 执行机构及阀等部分组成 一次仪表将锅炉的温度 压力 流量等物理 量转换成电压 电流等模拟量送入微机 手动或自动切换操作部分 手动时由操作人员 手动控制 用操作器控制阀等 自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作 微机对整个锅炉的运行进行监测 报警 控制以保证锅炉正常 可靠地运行 除此以外 为保证锅炉运行的安全 在进行微机系统设计时 对锅炉水位 锅炉汽包压力等重要参 数应设置常规仪表及报警装置 以保证水位和汽包压力有双重甚至三重保护和报警装 置 这是必不可少的 以免锅炉发生重大事故 蒸汽使用设备针对蒸和煮两种食品加工的自动化进行改造 实现多灶头的蒸工艺的 自动进行 例如6 头灶同时工作或部分同时工作 可以实现分别定时和计时报警 可以 处理同时计时 报警 使用功耗汇报等常规功能 灶头数可以进行扩展 蒸汽锅是把高 温蒸汽直接通入锅内水中 以蒸汽加热锅内水 让蒸汽汽化的水量跟锅内蒸发水量保持 一定平衡 从而就可以保证锅内剩余的水量保持平衡 同时考虑到蒸汽锅单独使用时的 方便性 在设计时为蒸汽锅加入电加热装置 使蒸汽锅在没有蒸汽源时也可以单独依靠 电力驱动 本项目的主要研究内容 l 电蒸汽发生器及辅助系统的研究 2 多功能蒸汽专用灶具的研制 1 六灶头自动定时报警蒸笼 2 蒸汽煮锅系统 3 蒸汽高压锅系统 4 蒸汽消毒柜系统 5 蒸汽豆浆机系统 3 两个实验及结论分析 1 蒸汽灶在不同条件下的实际功耗实验 2 蒸汽锅加热式锅内水位变化实验 本课题属于工程类应用设计 设计一种低成本的食品加工机械 使用的主要硬件设 备有 计算机 扫描仪 打印机 单片机 仿真器 电路板制作机等 要用到的软件包 括 a u t o c a d p r o t e l9 9 s e k e i lc 5 1 以及v c 等 3 河南工业大学硕士学位论文 2 1 电蒸汽发生器简介 2 1 1 电蒸汽锅炉的特点 第二章电蒸汽发生器 1 用电能作为能源 无噪音 无污染 无公害 是绿色环保产品 2 小型锅炉 3 0 2 0 0 k g 炉体电控一体 便于安装和配接 大型锅炉 3 0 0 k g 以上 炉体与电控分体 杜绝电气控制部分受炉体的高温影响 保证电控器件的稳定运行 1 2 1 3 采用先进的技术和生产工艺 热效率达9 7 4 采用先进的电脑锅炉控制器 具有性能可靠 自动化程度高 使用方便等优点 5 使用优质的电器元件 确保产品的使用寿命 2 1 2 电蒸汽锅炉的优点 1 安全性 1 漏电保护 当锅炉发生漏电时 通过漏电断路器及时切断电源 确保人身安 全 2 缺水保护 当锅炉缺水时 及时切断加热管控制电路 防止加热管发生干烧 损坏 同时控制器发出缺水报警指示 3 接地保护 当锅炉外壳带电时 通过接地线把漏电流导入大地 从而确保人 身安全 通常保护接地线应与大地之间作良好的金属联接 常用深埋在地下的角铁 钢 管做接地体 接地电阻不得大于4q 4 蒸汽超压保护 当锅炉蒸汽压力超过设定的上限压力时 安全阀启动 释放 出蒸汽使压力降低 5 过流保护 当锅炉超负荷 电压过高 工作时 漏电断路器自动断开 6 电源保护 借助先进的电子线路检测到过电压 欠电压 断相等故障状态后 进行可靠的断电保护 2 方便性 1 电源引入电控箱后 一键操作 锅炉便进入 或脱离 全自动运行状态 2 锅炉内水量减少 控制系统自动通过补水泵把水从水箱补充到锅炉内 3 合理性 4 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 为合理有效的使用电能 特别将加热功率分为数段 并由控制器自动循环投入 切 断 用户根据实际需要确定好加热功率后 只需合上相应漏电断路器 或按下相应的 投切开关 即可 加热管的分段循环投切 降低了锅炉在运行中对电网的冲击 4 可靠性 1 锅炉本体使用氩弧焊打底 手工焊盖面 经过x 射线探伤的严格检查 2 锅炉使用钢材 严格按制造标准选用 3 锅炉使用配件 均选用国内外优质产品 并经试炉检验 保证了锅炉的长期 正常运行 2 2 电蒸汽发生器机械平台 2 2 1 机械平台总体设计要求 蒸汽发生器机械平台设计中不仅包括压力容器炉体 水位计设计 还包括供水 和 安全 去污等阀门设计 控制电路设计和显示 操作面板设计等 供水设备中 应该使用硬水软化的水处理系统 以免蒸汽发生器过快发生锈蚀 结 垢最终导热不均而发生事故 进水中应使用可控水泵 为了防止锅炉内压力使水倒流 还须在进口处增加逆止阀 电蒸汽发生器的设计要求 1 无污染 无噪音 无公害的环保型锅炉 2 热效率高 电热元件直接与介质进行对流换热 换热系数高 热效率可达到9 7 以上 3 体积小 结构紧凑 占地面积小 不需要燃料及燃烧渣堆放场地 大大减少了 基建投资 4 可实现无人值守的全自动控制 控制系统可选用p l c 自动控制 也可以采用微 电脑控制或触摸控制 5 控制迅速灵活 操作简单方便 负荷调节性能佳 6 加热方式便利 可以采用瞬时加热 蓄水及蓄热多种方式 7 维修简单方便 零件均可更换 即使有部份加热元件发生故障仍可正常运行 8 安全性能好 使用寿命长 电蒸汽发生器结构示意图如图2 1 5 河南工业大学硕士学位论文 图2 1 蒸汽发生器结构示意图 操作面板的l e d 显示对应功能表 见表2 1 表2 1 显示功能对应表 排 一 行 阀 数码显示含义指示状态实际动作 0 0 运行待命运行灯亮控制器运行 p l 加热管1 动作加热管1 灯亮加热管l 的动作 p h 加热管1 2 动作加热管2 灯亮加热管1 2 动作 p p 蒸汽压力达到设定上限 报警灯亮 故障报警 o e 炉内缺水水泵灯亮水泵运行 1 e 高水位电极异常 高 灯亮水位达到高水位 2 e 中水位电极异常 中 灯亮水位达到中水位 3 e低水位电极异常 低 灯亮水位达到低水位 2 2 2 电蒸汽发生器压力容器 2 2 2 1 设计要求 锅炉压力容器的基本设计要求为 额定电压3 8 0v 额定蒸发量3 0 k g h 热效率 9 5 使用寿命1 0 年 6 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 根据劳动部 压力容器安全技术监察规程 中规定 压力在0 1 1 6 m p a 之间 属 于低压容器 按容器在生产过程中的作用原理 分为反应容器 换热容器 分离容器 贮藏容器四种 ldz0 4 型电蒸汽锅炉的压力为低压换热容器 3 5 f 2 2 2 2 主要参数确定 1 确定设计压力 设计压力不得小于最高工作压力和安全泄压装置的调定压力 本容器上装有安全 阀 可取安全阀的开启压力作为设计压力 对于工作压力小于0 8mp a 的蒸汽锅炉 其安全阀压力为工作压力加0 3mp a 或0 5mp a 所以可选用设计压力0 4 5mp a 2 设计温度的确定 设计温度是在正常操作过程中在相应设计压力下作为其受压元件金属可能达到的 最高或最低温度 根据1 9 6 3 1 9 6 4 年国际工式化委员会 ifc 提出的水蒸气计 算而得 在设计压力0 4 5mp a 下 水的饱和温度为1 4 7 1 9 8 容器出口蒸汽可达 1 5 1 8 5 可选设计温度为1 6 0 3 确定材料 考虑到供货条件和经济性 主要元件采用q 2 3 5 c 4 厚度附加量 厚度附加量的计算公式为 c c c 2 1 在公式 2 1 中 c 钢板或钢管厚度的副偏差 c 2 一根据介质的腐蚀性和容器的使用寿命而定的腐蚀裕量 由于水蒸气腐蚀量不大 使用年限短 可选用腐蚀量c 2 1m m 5 选型和支座布置 由锅炉形式分类得知 在设计压力等于0 4 5 m p a 时 容积在0 2 5 4 0m 3 下宜采 用椭圆型封头容器 标准代号j b l 4 2 6 7 4 初定公称直径d g 3 0 0 m m 选取标准椭圆 型封头 为了便于安放采用支承式支座 标准代号j b i l 6 6 8 1 2 2 2 3 压力容器相关参数的计算 压力容器的相关参数包括 圆筒壁厚 封头参数 零部件设计 压力容器强度校合 等 其相关参数的设计计算细节以及公式推导附后 见附录一 7 河南工业大学硕士学位论文 2 2 3 电蒸汽发生器设计图纸 通过对电蒸汽发生器各个零部件的设计和计算 确定各零部件的形状和尺寸 利用 a u t o c a d 绘制出电蒸汽发生器的设计图纸如图2 2 所示 图2 2 电蒸汽发生器总装图 8 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 设计选择钢制压力容器 直径3 8 0 r a m 壁厚l o m m 炉体高9 6 0 r a m 最大可承受压力 i m p a 炉体属于瓶式压力容器 发生器机械平台在主体外 包括加热管组件 可视水位 计 安全阀 进水泵 出汽阀 排污阀 冲洗阀和控制柜等 后详加说明 2 2 4 电加热器组 设计蒸汽发生器的额定功率2 4 k w 额定蒸汽量0 0 3 t o n h 额定蒸汽温度1 5 1 2 2 4 1 电热管及制造工艺 电热管是加热组的核心部件 电热管泛指一种金属电阻式发热元件 它是将n i c r 合金电阻丝或f e c r a 1 合金电阻丝放置于碳钢 紫铜 铝 不锈钢或镍基合金钢管 中 金属管材的选用取决于其允许的最高温度以及在介质中允许的最高表面负荷 并 填充m g o 粉用以绝缘 定位和传热 n i c r 合金电阻丝的电阻率较小 但无高温热脆性 f e c r a 1 合成电阻丝的电阻率大 但有高温热脆性 电热管成品性能有八项基本要求 1 升温时间小于 5 m i n 2 额定功率偏差 额定功率 i o o w 时为1 0 i o o w 时为 5 1 0 或1 0 w 3 泄漏电流应不超过0 5 m a 工作温度下的热态泄漏电流最大不超过5 m a 4 绝缘电阻应不小于5 0 m q 长期存放 工作温度下的热态绝缘电阻及使用后的绝 缘电阻最小应不低于1 m q 5 绝缘耐压强度要求 工作电压不大于2 5 0 v 时 试验电压为1 5 0 0 v 工作压力大 于2 5 0 v 时 试验电压为2 0 0 0 v 保持i m i n 无闪络和击穿现象 6 经受通断电的能力 充分加热后l o m i n 通断电2 0 0 0 次 通电时间1 5 m i n 断电 0 5 m i n 不发生损坏 7 过载能力要求 充分加热通电l h 然后断电冷却0 5 h 循环3 0 次不会损坏 8 耐热性 充分加热后 通电1 h 断电2 0 m i n 循环i 0 0 0 次不发生损坏 9 此外还有引极棒拉力 密封 外壳 端部 试验 x 光检查等 金属管状电热管执行j b t 2 3 7 9 标准 采用电阻式管状加热管 如图2 3 所示 电热管的阻值r 的计算 3 u 2 r 3 x 2 2 0 x2 2 0 r 2 2 4 i 0 0 0解得r 1 2 1o 注 r 为两根电热管并联阻值 r r 2 9 河南工业大学硕士学位论文 图2 3 电热管零件图 图2 4 固定盘零件图 1 0 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 2 2 4 2 电热管固定盘 由于加热管属于大功率器件 在启动和关闭时对电网的冲击比较大 所以采用组式 器件 共使用1 2 根加热管 分成两组 每组有6 根加热管 每两根并联接入三相电源 的一相火线上供电 一组加热器的固定盘如图2 4 图中内环6 个接线柱用铜片连接到一起 中间一环6 个分成3 组 每组两个用铜片 连接到一起 分别接到三相火线l 1 l 2 l 3 外环是固定螺栓 固定盘有6 个固定螺栓 固定 可以随时拆卸进行去垢处理 采用2 组加热管和2 个管并联的方式 目的都是加快蒸汽发生器的启动过程 减轻 其滞后性 有利于时间控制的精确性 另外 加热管的功率比较大 如果成组同时投入 使用 对电网产生的冲击很大 所以 启动时采用循环投切的方式 先投入其中一组 控制器控制一定时间以后再投入另一组 2 组同时工作 当蒸汽达到设定温度后 再根 据需要投入一组或二组使用 如蒸汽出口流量比较大时 必须同时使用二组 加热管采用外围螺栓加以固定到炉体上 在此可以拆装 便于定期 半年 拆卸检 查 除垢和对炉体内部进行清理 电熟管固定盘如图2 4 所示 2 2 5 水位计 水位控制对锅炉的安全至关重要 为防止过烧和干烧 必须使加热管在工作中始终 处于水位液面以下 因此要有最低水位限制 加热器工作中必须使锅炉内有一定的水位 但加热中水是会蒸发的 故工作水位不是一个固定的水位 只能在一个水位变化范围内 而且水位范围控制的精度又将直接影响到压力控制的精度 所以还需设计中水位和高水 位 使加热器工作中炉体内水位在中水位和高水位之间变化 如果要迸一步保证锅炉工 作安全 还可以设置极限水位 如果使用三水位系统 采用电阻式液位电极棒作为传感 信号 则需要三根电极棒 另外水位计还设计了透明可视部分 可以直接观测工作 中水位情况 如图2 5 所示 河南工业大学硕士学位论文 2 3 电蒸汽发生器控制系统 2 3 1 数学模型与控制原理 图2 5 水位计零件图 锅炉是指利用各种燃料 电或者其它能源 将所盛装的液体加热到一定的温度 并 承载一定压力的密闭设备 锅炉是一个较为复杂的调节对象 它不仅调节量多 而且各 种量之间相互联系 相互影响 相互制约 锅炉内部的能量转换机理比较复杂 所以要 对锅炉建立一个较为理想整体的数学模型比较困难 将锅炉内按照控制方案将锅炉分成三个独立的部分进行数学分析 锅炉内能量转 换 锅炉内水位变化 锅炉内压力变化 并分别忽略次要影响因素 建立各自的模糊的 数学模型 然后进行数学分析 2 3 1 1 能量转换数学模型 l 参数的规定 加热器功率 2 4 1 0 0 0 w 锅炉体积 v o 水的体积 v l a v dv l d t 蒸汽体积 v o 一 v l x 1 v 2 进水流量 v t l m i n 1 2 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 蒸汽压力 p a a p dp a d t 蒸汽出口流量 v t 2 m i n dv 2 d t 其中 v 2 a v v 2 p 1 a p p 1 v 0 v p a v t l m i n v 2 p 1 都是固定值 dv 1 d t 2 4dv 2 d t 2 工作过程参数的计算 1 温度变化的计算公式 忽略进水时间 假设热效率为1 0 0 进水过程中 关闭加热器 进水结束 启动加热器 水升温 质量是1 k g 的水温度 升高1 吸收的热量是4 1 8 4 x 1 0 33 k g 2 6 4 7 8 0 x1 0 6 焦耳 j 0 7 3 5 4 9 9 千瓦时 k w h 那么水从常温t 2 4 升高到1 0 0 需要加热器开通的时间t l m i n 为 v 1 1 1 0 0 2 4 0 7 3 5 4 9 9 2 6 4 7 8 0 1 0 3 2 4 x t l 6 0 t l o 1 4 v 1 m i n 2 额定蒸发量计算 1 0 0 水变蒸汽 在此过程中计算反映锅炉工作特性的基本参数 包括锅炉产生蒸 汽的数量 蒸发量 和质量 压力 温度 两个方面的指标 锅炉每小时所产生的蒸汽数量称为蒸发量 表示其产蒸汽的能力 常用的单位是 吨 小时 t h 锅炉内的水吸收热量后 由液体状态变成气体状态 体积膨胀 在 大气压力下面1 千克水蒸发成蒸汽 体积膨胀1 7 2 5 倍 由于锅筒是密闭容器 蒸汽不 能自由膨胀 而被迫压缩在锅筒内 因而对筒壁就产生压力 常用的单位是兆帕 m p a 与千克力 厘米2 k g f c m 2 1 m p a 1 0 2 k g f c m 2 常压下 l 克1 0 0 c 的水气化成1 0 04 c 的蒸汽需要吸收5 3 9 卡的热量 卡和焦耳的等 值关系如下 1 卡 4 1 8 4 焦耳 根据 v 体积的水变为蒸汽需要吸收的能量 计算加热器工作时间 t 2 v 1 1 5 3 9 4 1 8 4 0 7 3 5 4 9 9 2 6 4 7 8 0 x 1 0 3 2 4 t 2 6 0 根据以上能量转化公式 以 v dv l d t 代替v 1 就可以计算出加热器根据蒸汽 出口出汽量的变化时的工作时间 t 4 1 4 3 0 1 4 v dv j d t 4 2 8 3 a v dv l d t 2 3 1 2 水位控制数学模型 在蒸汽锅炉运行中 水位是一个很重要的控制参数 若水位过高 影响汽水分离的 效果 使用汽设备发生故障 而水位过低则会破坏汽水循环 严重时导致锅炉爆炸 同 1 3 河南工业大学硕士学位论文 时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大 而锅筒的体积相对来说较小 所以锅炉水位控制 显得非常重要 锅炉水位自动控制的任务 就是控制给水流量 使其与蒸发量保持平衡 维持锅体内水位在允许的范围内变化 锅炉水位的动态特性如下 根据物料不平衡和热平衡的关系 锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导和 化简后可写成 t t d 2 h d t t d h d t t d u d t k u 一t d u d t k d u d 2 2 公式 2 2 中 h 是汽包水的高度 n 是给水流量项的时间常数 t 是蒸汽流量项的时间常数 k d 是蒸汽流量项的放大倍数 b 是给水流量项的放大系数 u d a d d d 是锅炉蒸汽流量 u w d w 是锅炉给水流量 t t 是时间常数 可见 引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量 称为外扰动 和给水流量 称为内 扰动 内扰动时 汽包水位调节对象的运动方程式可表示为 t t d 2 h d t t 1 d h d t t w d u w d t k w u w 2 3 对公式 2 3 两边取拉氏变换 结合工程实际忽略较小的t w 并考虑到汽包水位 在较长一段时间里不随给水量的增加而增加 可得到该过程的动态数学模型为 g s h s u w s t t d s 2 t 1 3 0 s 2 2 4 式 2 4 中 t 为给水扰动下的纯滞后时间 t d l e 为水位反应时间 一般锅 炉t 为3 0 1 0 0 s t d 为3 0 1 5 0 s 本系统仿真过程中取1 为4 5 s t d 为1 3 0 s 外扰动下 汽包水位调节对象的动态特性方程为 t t d 2 h d r t d h d t t d d u d d t k d u d 2 5 对公式 2 5 进行拉氏变换 并令k 一 k d t 一t d t d 得 g s h s u d s 一1 t s 2 k t 2 s i 2 6 公式 2 6 为只考虑外扰动时的水位传递函数 闭环控制系统由控制器 执行机构 被控对象及检测环节组成 其结构框图如图2 6 所示 1 4 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 图2 6 闭环控制系统机构框图 控制器是闭环控制系统的核心 它的控制算法决定了系统的控制特性及控制效果 传统的控制系统最常用的控制规律是p i d p i d 调节器是一种线性调节器 它根据给定 值r t 与实际输出值y t 构成控制偏差e t r t y t 将偏差e t 进 行比例p 积分i 微分d 运算 再通过线性组合构成控制量对控制对象进行控制 图2 7 为典型的二阶系统单位阶跃响应曲线 通常采用系统偏差与其变化率的乘 积e d e d t 作为特征量 反映系统误差的变化趋势 在a b 段 或c d 段等 e d e d t o 说明误差正在增大 在b c 段 或d e 段等 e d e d t 0 说明误差正在增大 可考虑控制器实施p i d 作用 以使误差绝对值朝减小方 向变化 迅速减小误差的绝对值 在b c 或d e 段 e x d e d t o 时 设定值切换到有限域的下限 再加上p i d 使u t 尽快减小 反之 d e d t 4 5 m g m l 工作交换量 0 3 0 3 5 m g m l1 1 1 5 m g m l 机械强度年损耗量 5 年损耗量 5 粒度0 3 一l 2 m m 占9 5 以上0 3 1 2 m m 占9 5 以上 溶胀率在水溶液中3 2 5 在水溶液中2 2 5 3 2 蒸汽分汽缸 以水为介质的供热锅炉所产生的蒸汽 通过蒸汽分汽缸集中又分散供给热用户 它 是供热系统中不可或缺的 安全技术要求高的压力容器 也是重要的特种建筑设备 因 此 对蒸汽分汽缸的设计 使用 管理等环节必须要有足够的安全意识 现就蒸汽分汽 缸的设计作简单论述 3 2 1 蒸汽分汽缸的结构 从分汽缸的用途 作用来看 主要是储蓄 分配用汽 缓冲 调整汽压 还起到分 离汽水的作用 因此 客观地解决了其结构问题 如图 压力表管座进汽管座阀门出汽管座阀门 图3 2 蒸汽分汽缸机构示意图 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 1 分汽缸的定义 根据 压力容器安全技术监察规程 的规定 受监察规程监督的压力容器须同时具 备下列条件 1 最高工作压力大于等于0 1 m p a 不含液体静压力 2 内直径 非圆形截面指其最大尺寸 大于等于o 1 5 m 且容积大于等于0 0 2 5 m 3 3 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 2 结构上的规定 i 压力容器安全技术监察规程 第4 5 条对压力容器的结构作了规定 为检查 压力容器在使用过程中是否产生裂纹 变形 腐蚀等缺陷 压力容器应开设检查孔 检 查孔包括人孔 手孔 第4 6 条规定 符合下列条件之一的压力容器可不开设检查孔 简体内径小于等于3 0 0 珊m 的压力容器 压力容器上设有可以拆卸的封头 盖板等或其他能够开关的盖子 其封头 盖 板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸 无腐蚀或轻微腐蚀 无需作内部检查和清理的压力容器 制冷装置用压力容器 换热器 对因特殊情况不能开设检查孔时 也作了相应规定 2 在结构设计时 当筒体直径小于1 5 0 0 m m 时 最大开孔直径应小于简体直径的 一半且小于等于5 2 0 m m 当筒体直径大于1 5 0 0 m m 时 最大开孔直径应小于简体直径的 1 3 在凸形封头上最大开孔直径应小于简体直径的1 2 3 进出气排管的开孔间距l 值的确定 排管直径d 开孔间距1 值的大小既受管道阀门安装 操作的制约 又受筒体强度计 算时减弱系数值的影响 因此 在排管开孔间距设计时 1 值一般尽量取最大值 1 如 图3 3 所示 u 蘩隶杂杂簧膏 f 图3 3 分汽缸排管结构间距 2 9 河南工业大学硕士学位论文 3 2 2 分汽缸的设计 分汽缸的设计 需按用户的特定工艺条件来确定用汽量 工作压力 配管管排数量 和管径 缸简体的直径等 因此 不可能作为通用设备定型设计和成批制造 所以 分 汽缸的设计应从强度计算和热力计算两个方面进行 蒸汽分汽缸主要参数的计算公式见 附录 3 2 3 分汽缸的设计图纸 根据设计要求利用a u t o c a d 绘制分汽缸零件如图 图3 4 分汽缸的设计图纸 3 0 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 第四章实验数据分析 4 1 蒸汽灶不同条件下电功耗实验 4 1 1 实验目的 在不同的环境温度下 通过对六头蒸汽灶的开启头数和通汽时间的不同设计 来测 量电蒸汽发生器的总耗电量 从中建立完整的数学模型 推导出函数计算公式 并估算 食品加工时的成本 4 1 2 实验器材 实验系统结构如图 图4 1 实验系统结构图 主要器材有 1 额定功率为2 4 k w 的电蒸汽发生器 2 进水系统以及分汽缸等辅助设备 3 六头蒸汽灶及连接管道阀门等 4 三相电度表 5 温度计 秒表 纸 笔等 3 l 河南工业大学硕士学位论文 4 1 3 实验过程 1 设备运行前应检查以下各项 待正常后才允许设备投入运行 1 水箱内水量 水质情况是否符合要求 若不符则注入符合要求的水量 2 水位计的水位状况是否清晰 可辨 3 进水阀是否开启 4 扳动安全阀 确定是否正常 5 所有阀门及开关无异常 且在正确位置 6 安全地线连接可靠 7 电源电压与设备额定电压相符 且接线正确 2 接通总空气开关 接通电蒸汽发生器内部的空开 按下蒸汽发生器操作面板的 电源开关 此时蒸汽发生器开始进水 3 进水完毕 开启加热组 注意观察压力表的示数 4 记录启动耗能以及当前温度 压力表压力到达0 3 m p a 时开启蒸汽灶阀门 记录 此时电表读数以及时间 5 按照设定的时间和不同头数的蒸汽灶记录电表的读数 同时记录温度计的读数 6 实验完毕 关闭所有开启的阀门等待锅炉内部冷却以后再放出锅炉内的水 整 理仪器 打扫卫生 进行实验数据分析 4 1 4 实验数据处理 由于实际工作过程中 电蒸汽发生器并非持续加热 而是在0 2 m p a o 3 m p a 之间 间歇性自动开启加热组 故电蒸汽发生器的实际功率在一定的负载下应小于2 4 k w 又考 虑到环境温度对蒸汽灶散热的影响 把长期实验记录的数据加以分析 建立了环境温度 t 蒸汽灶头数 n 与实际功耗 p 之间函数关系的数学模型 并推倒出计算公式 p f t n 以此公式可以推算一定环境温度内 任意温度和不同头数下的实际功耗 4 1 4 1 数学模型建立 本文对三相2 4 k w 负载为6 头的蒸汽灶做了长期实验 对不同环境温度下的工作头 数与实际功耗数据做了详细记录 见表4 1 并在坐标系中描出了它们的关系曲线簇 见图4 2 3 2 环保型多功能蒸汽灶及灶具研制 注 表4 一l 不同环境温度下开启不同蒸汽灶头数时的实际功耗p k w h 数n 123456 温度t 0 1 0 61 3 81 4 91 7 o1 8 52 0 5 1 0 7 51 0 51 2 31 4 o1 6 31 8 1 2 0 5 87 09 31 1 61 3 11 5 g 环境温度 取实验过程中的平均温度 取整数 实际功耗 取平均每小时内的耗电量 取小数点后一位有效数字 20 15 10 5 o c i o c 一 2 0 c 一一 j 一 j 圈4 2 不同温度下实际功耗与蒸汽灶头数的关系曲线簇 如何对该曲线簇建立统一的数学模型呢 如果写出p f t n 的具体表达式 就 可以计算任意环境温度下不同头数的实际功耗 数学模型建立过程如下 1 观察图4 2 曲线簇 单条曲线形状近似于直线形式 即 p bn 4 1 公式 4 1 中q b 为待定系数 2 利用最小二乘法求d b 3 3 河南工业大学硕士学位论文 i 令n x p y 则有 y d bx 以t i 0 时的数据为例 单条曲线数据 摘自表4 一l t 1 0 e 4 2 x n 1234 56 y p 7 51 0 5 1 2 3 1 4 0 1 6 31 8 1 2 根据以上数据写出正则方程组 中间计算结果 ix iy ix i 2 x i y i ll7 5l7 5 221 0 5 42 1 0 331 2 393 6 9 441 4 0 1 65 6 0 551 6 32 58 l 5 661 8 i3 61 0 8 6 6e x i 2 1e y i 7 8 7 x i2 9 1e x