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红外加热器在反应釜上的应用
文章来源:管理员 添加时间:2019-06-17 10:47:29

实验用反应釜在化工实验中是常用的一种反应容器.其加热方式和温度控制是其高效节能且保证产品质量的一个重要因素,传统的反应釜多采用导热介质通过反应釜的夹套来提高釜内物料的温度.一个反应釜需配备真空泵、加压泵、加热器、制冷压缩机等一系列的配套设施,设备繁多占据空间较大.在其加热和制冷过程中,由于介质的传输等原因,会损失很大一部分能量,造成能源浪费.而且在进行温度调节时.由于介质加热制冷以及传输需要一定的时间.往往不能即刻的进行温度调节,为此我们想以一种新的方式,通过反应釜外直接配备红外加热器来提高加热速率和减少能热量散失,制冷用气体制冷.速率更快.通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高导热速度,并达到温度均匀。温度控制部分主要采用PID控制,上下位机结合的方式。当温度传感器反馈回来值时,经过计算保证温度控制的准确性和敏感性,电脑连接实现无线控制.温度时时采集等功能。

1系统结构

以经济创新,节能环保为目标,在原有反应釜的技术基础上,加以改革创新.用红外加热套夹直接加热取代了原有的导热介质流入加热套夹的油浴、水浴的方式,通过采用气冷的方式取代原有的压缩机制冷,解决传统反应釜的加热制冷速率慢,能量损失大,不环保的问题。以上下位机的方式取代原有的人工操作方式,更新了温度时时监控、记录、绘图等功能,实现了人机互动,远程操控的目标.特别对于实验用的反应釜所要求的的反应快速,温度操控灵敏,智能环保,数据记录等诸多方面都体现出了优势。整体构图如图1所示,
图1 整体构图

2控制器整体方案

本文采用上下位机结合的方法.上位机以VisualBasic.6.0IDE做为上位机软件平台开发的监控界面,可实现远程监控。上位机是人机交互的主界面,主要负责从串口对下位机发送命令、接收数据并存储以及对历史数据绘图等,同时提高人机交互的智能性:下位机以STC-89C52为核心芯片,它主要包括按键、LED显示、A/D数据采集.D/A数据发送和上位机串行通讯等功能。通过Ptl00采集釜内温度数据,由单片机运用PID算法对数据进行处理并将结果反馈到调压模块,通过对继电器的驱动控制改变反应釜内的温度,整体组成结构如图2所示.
图2 反应釜整体温度控制系统

各控件的使用方法及功能如下.

(1)温度控制台:能检测和修改温度以及检测设定的温度,并算出误差:

(2)PWM控制台:能检测和修改PWM的周期以及检测占空比:

(3)PID控制台:能检测和修改比例系数P、积分系数I、微分系数D;

(4)串口设置:能修改串口的端口号和波特率:

(5)可以显示实时变化的温度曲线:

(6)用表格可以记录采集的温度值:

(7)点击“保存”将所测温度值保存在指定路径,如图3所示。
图3 上位机控制界

3加热与制冷的实现

传统的反应釜加热和制冷多采用导热介质,然后根据产品的工艺温度要求确定导热介质的选择.常见的导热介质有过热蒸汽和导热油.当需要制冷时,压缩机启动,导热油在换热器中与制冷剂换热,获得冷量,然后流过加热器,但此时加热器是停止工作的.当反应釜需要升温时,制冷压缩机停止工作,加热器启动。由此我们可以看出传统的加热与制冷方式要求多设备配合使用.过程较为繁琐.而且在加热和传递过程中势必会造成大量的能量散失.加热介质的挥发会造成环境的污染,从我们现在所要考虑的是.是否可以有一种可替代的加热与制冷方式.经过调查和研究.我们把原先的夹套内注入加热介质改为在夹套内直接放置加热迅速.绿色环保的红外加热管,夹套固定在反应釜后的支架轴上,可随反应釜上下左右移动,如图4(a)(b)所示。
图4 红外加热套夹

红外夹套套在反应釜的外壁.夹套上下边缘卡在反应釜外壁.这样红外管和反应釜直接会留有足够的加热空间.结束加热时又会起到保温的作用.如图5所示。
图5 红外夹套与釜体结合图
图6 制冷盒内部结构

采用远红外加热,加热速度迅速,避免了用加热介质进行加热的能量损失浪费,且绿色无污染,达到了高效节能,绿色环保的目的。反应釜的制冷采用气冷的方式.气体由小型风机压入制冷盒,盒内的四周分别放置制冷片,在制冷盒内设置隔板,引导气流在盒内形成涡流,让气体充分制冷。再在制冷片外面放置小水槽保证制冷片的工作效

制冷气体由上部气口通过双层玻璃反应釜夹层,再由下部气口排除.冷气制冷效果迅速,且没有任何污染可以直接排除,省略了以往制冷废弃的收集处理工作.釜内的反应过程既可能是放热的化学反应过程,又可能是物理变化过程,聚合反应机理复杂,如果不及时移去反应热,将使反应剧烈超出正常范围,易引起“爆聚”,如果加入过量的冷水制冷又将使反应激落,甚至造成“僵釜”现象,直接影响到产品的质量和产量,严重时会危及工作人员的安全。因此反应釜的加热与冷却的及时性和高效性对于保证产品质量和操作人员安全生产起着重要的作用.

4系统仿真

本设计采用的是PID位置式

(1)的方法控制,通过对温度的误差et(k)的求得算出输出量u(k);采用PID的控制方式。

(2)将运算量赋值绘PWM波,改变其占空比,已达到对继电器的驱动控制,最终实现对设定温度的±1℃误差的控制实现。

经典PID控制算法结构简单、易于实现,在工业控制中占据主导地位。但它主要应用于线性系统,很难满足大惯性、滞后系统的控制要求.文中采用动态PID,将偏差分为三个阶段,每个阶段对应一组PID值.每组PID值都是根据多次测量的经验得到的,

将参数自适应模糊PID控制应用于反应釜的温度控制的方法.对系统的动态性能有较明显的改善经Matlab仿真和实际运行证明:该系统对反应釜的温度控制系统的自动化程度、智能程度、控制精度、抗干扰能力等方面都取得理想效果.提高了产品的产量和质量.降低了能耗。

5结束语

近年来由于反应釜工作环境复杂.受不确定因素影响较大.控制困难等诸多因素,人们越发倾向于反应釜智能控制器的研究。本系统采用反应釜外直接配备红外加热器来提高加热速率和减少能热量散失,用气体制冷.从而达到提高速率目的,同时通过搅拌机的均匀搅拌使物料均匀受热.与传统只有下位机控制相比.采用上下位机结合的方案对整个系统进行监控,改善了工作条件、确保了安全、提高了人机交互的智能性.当温度传感器反馈回来值时.经过计算保证温度控制的准确性和敏感性.电脑连接实现无线控制,温度时时采集等功能。

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