气压水压差恒定条件下气水混合喷雾加湿器的自动控制研究

1、技术创新与生产实践收稿日期:2009-11-16作者简介:魏新科(1965-,男,河南长垣人,工程师,主要从事卷烟工艺和装备管理工作.文章编号:1006-3269(200904-0056-03气压水压差恒定条件下气水混合喷雾加湿器的自动控制研究魏新科(河南中烟工业公司安阳卷烟厂,河南安阳455003摘要:针对卷烟生产工艺要求进行自动控制改造,使气水混合喷雾加湿系统始终保持恒定的气压和水压,实现了不分段连续线性调节.实际应用表明,该系统加湿量大,在加湿的同时可降低温度,减少制冷费用和系统维护费用.关键词:加湿系统;气水混合;喷雾;气压;水压中图分类号:TU831.5文献标识码:Adoi :10.

2、3969/j.issn.1006-3269.2009.04.014卷烟生产工艺对环境温湿度的控制要求非常高,要求一年四季恒温恒湿的生产环境.我厂所处为北方季风气候,冬、夏两季空气含湿量差别很大,春、秋换季季节的气象变化不定,环境温湿度的控制更加困难.目前同类地区卷烟企业采用较多的温湿度控制系统均为干蒸汽加湿.春秋换季季节,北方气候干燥,要达到车间恒温的要求,需长时间运行制冷设备消除余热,因此能耗较大,且在春秋换季时节很难达到工艺要求的温湿度精度要求1.而采用气水混合喷雾加湿,利用加湿中水雾蒸发变为气态需吸收大量的热量,使空气温度显著降低,根据加湿量的不同温降可达46甚至10以上,从而在保证工艺

3、温湿度要求的前提下,可以减少蒸汽和制冷的能量消耗,提高春秋季节车间温湿度合格率,达到节能降耗的目的2.本项目通过对原有气水混合喷雾加湿系统的自动控制改造,使其具备较高的自动化水平,能够满足根据室内温湿度变化自动调整加湿量且吸收良好的要求,达到提高春秋季温湿度合格率和节能降耗的目的.1加湿器技术原理气水混合喷雾加湿是利用压缩空气的势能将水分解成雾滴并喷出来蒸发,实现加湿功能.喷雾系统采用的气体和液体分别是0.30.6M Pa 的压缩空气和0.20.5M Pa 的水.水的雾化是在瞬间完成的,为此必须最大限度地增加其分散度,减小雾滴直径.在其黏度一定的情况下,影响雾滴粒径的主要因素为气液比、气液相对

4、速度和空气密度.在其他外界条件相同的情况下,上述三因素主要取决于压缩空气的气压、水的压力以及气压水压差.在水压一定的情况下,压缩空气的压力越大(气压水压差越大,则空气流速越大,单位时间内通过截面的空气越多,密度越大,气液比越大,则雾化水的能量越大,雾滴粒径越小.但气压水压差过大,会使单位时间内的加湿量减小,同时消耗过多的压缩空气,所以并不经济.因此需要通过实验得到合适的气压、水压、气压水压差,以尽可能同时满足雾滴粒径、加湿量、能耗的要求3-5.通过对我厂所做单喷嘴气水混合喷雾实验数据进行分析得知,当气压水压差为0.080.1M Pa 时,雾化效果最好.即不论气压水压如何变化,只要气压水压差恒定

5、在上述范围内的某一值上,就能实现较为理想的加湿效果.因此恒定的气压水压差是自动控制所需实现的主要功能.其他功能还应该包括以下几个方面:通过反馈气压调节水压,保持恒技术创新与生产实践定的气压水压差功能;具备自动开启关停加湿设备的功能;对喷雾量实现高精度线性调节功能;系统应有低水压报警和低气压停机保护装置,以及停机自动排水装置.2控制系统方案设计我厂本身具备稳定、纯净的压缩空气源,因此,选择气动控制方式来实现控制的目的.一般的单回路中央空调自动控制系统通常是由一个检测元件及变送器、一个控制器、一个执行器、一个被控对象所构成的一个闭合回路的控制系统,如图1所示. 图1中央空调单回路自动控制系统方框图

6、由于加湿自动控制是中央空调整个控制系统DDC 的一部分,检测元件以及变送器变送的420mA 温湿度反馈信号均由空调系统提供,所以我们的目标是在此信号下对上述加湿自动控制功能的实现.2.1被控量、变送器及控制器选择被控量为室内的温度和相对湿度(T 和,变送器为温湿度检测及变送器,控制器输出的420mA 电信号均由中央空调控制系统提供.2.2执行器的选择由于本控制系统为气动控制,因此执行器为气动执行器,即气动调节水阀和气动调节气阀.气动执行器的选择涉及以下2个方面.2.2.1控制阀流量特性选择控制阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移(阀门的相对开度之间的关系.其数学表达式为:q V q

7、v max =f (lL式中:q Vqv max为相对流量,即调节阀在某一开度时,流量q V 与全开流量qv max 之比;lL为相对位移,即调节阀在某一开度时,阀芯位移l 与全开位移L 之比.控制阀理想流量特性主要包括直线流量特性、等百分比(对数流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性.结合本项目特点及项目要具备线性调节功能的要求,我们认为控制阀采用直线流量特性可以与其相配合6.2.2.2控制阀的气开、气关方式选择气开与气关阀选择的主要原则为:从生产的安全出发、保证产品质量因素、降低原料和动力的损耗、介质的特点.本系统主要考虑的原则是降低原料和动力的损耗(即压缩空气与水的消耗,当室内温湿度达到

8、设定值时,则停止加湿设备运转,须关闭气阀与水阀,同时开启排水阀排出残余的水.因此本控制系统的气阀与水阀采用气开式阀门,排水阀采用气关式阀门.2.3电/气信号转换器选择本控制系统中,电/气信号转换器从空调系统接受420mA 标准电流信号,并将其转换为20100kPa 标准气动信号.由于要求具备线性比例调节功能,所以信号转换器应将电信号按比例转换为气动控制信号.在电/气信号转换器正、反作用方式选择上,由于采用气开式控制阀,当气动信号增加时,阀门开度增大.由于气动信号来源于电信号,因此电/气信号转换器采用正向转换方式,即电信号增大,气动信号随之比例式增大,阀门开度也按比例增大;反之,当电信号减小,气

9、动信号也随之比例式减小,阀门开度相应减小;当电信号低于某一设定值时,则变换的气动信号减小到使阀门完全关闭,此时设备停止运转7.2.4控制系统综合以上分析,我们设计出了能够实现上述功能的自控系统,其控制方框图如图2所示.各主要部件的功能及作用为:(1电气/信号转换器:接收420mA 电流信号,并转换成20100kPa 气动控制信号,控制气动气阀的阀门开度,从而调节输出的气压大小.(2低压开关:当输出气压(表压低于某一压力时,断开电磁阀1与电磁阀2电源,电磁阀切断到气动气阀(气开式和排水阀(气关式的气动信号,则关闭气阀和开启排水阀,停止加湿和排除余水.(3气动继动器:接收反馈气压信号,通过内部弹簧

10、作用调节气源压力,输出气动控制信号,控制气技术创新与生产实践 图2喷雾加湿自动控制方框图动水阀(气开式阀门调节操作,控制水压并使之与气压保持恒差值.(4电磁阀1:切断到气动气阀(气开式的气动信号,关闭气阀,停止加湿.(5电磁阀2:切断到排水阀(气关式的气动信号,打开排水阀,排出余水.(6气动气阀:从电气/信号转换器接收气动控制信号,调节阀门开度,输出具有一定气压的压缩空气. 图3喷嘴布置断面示意图(7气动水阀:接收来自气动继动器的气动控制信号,调节阀门开度,有效控制水压.(8减压阀:调节输入气源压力,使之稳定在0.6M Pa ,为整个控制提供稳定的气源.整个空调机箱需配置24个喷嘴,考虑空调机

11、箱内部尺寸,采用机箱的内部横向布置.每排6个喷嘴,共4排.为了尽可能减少由于管道长度与阻力导致的水压损失,我们采用了双路供水,即每个喷嘴同时有两路管道为其供水,以保证喷嘴处的水压.其布置断面示意图见图3.3应用效果及改进方向(1气水混合喷雾加湿系统在我厂车间内得到了广泛使用,取得了良好的经济效益和社会效益.(2使用中存在的问题及改进意见:控制精度还有提高的空间.其中选择更加精密的阀门是关键;管道的布置安装应更合理,以进一步减小由于管道阻力导致的系统响应精确性的降低;进一步研究由于信号滞后产生的控制紊乱,优化算法,力求对温湿度的更高精度控制.参考文献:1王喜忠,于才渊,周才君.喷雾干燥(第二版M

12、 .北京:化学工业出版社,2003.2杜荣杰,邢优诚,尤长虹,等.卷烟卷制质量与车间温湿度的关系J .烟草科技,2007,(1:10-12.3冯巧玲.自动控制原理M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.4徐炳辉.气动手册M .上海:上海科学技术出版社,2005.5王勇.卷烟车间空调控制系统设计J .昆明理工大学学报,2000,25(1:144-148.6何衍庆,邱宣振,杨洁,等.控制阀工程设计与应用M .北京:化学工业出版社,2005.7何离庆.过程控制系统与装置M .重庆:重庆大学出版社,2003.The Study on Automatic Controlling Spraying

13、H umidif ier by G as 2w ater Mixing under the Condition of Constant Pneumaticand H ydraulic Pressure DifferenceWEI Xin 2ke(Anyan Factory ,China Tobacoo Henan Industrial ,Co.,Ltd ,Anyang 455003,China Abstract :For the demand of the cigarette process revam 2ping the Automatic Controller ,the spraying humidifier sys 2tem by gas 2water mixing reminds constant pneumatic and hy 2draulic pressure ,achieves no piecewise linear adjustment.Practical application shows that the system has a huge hu 2midification and it can h