نحوه دستیابی به کنترل دمای مطلوب در خنک سازی فرآیند

گرما چقدر سریع می تواند در فرآیند شما جمع شود؟ با چه سرعتی می توان حرارت را از فرایند شما حذف کرد؟ آیا میزان حذف حرارت بیشتر از تولید آن است؟

کنترل موفقیت آمیز فرایند خنک کننده و انتخاب کنترل مناسب مستلزم درک خوب جریان گرما در آن فرایند است. مهم نیست که یک کنترل چقدر هوشمند یا مفصل باشد، نمی تواند از محدودیت های ترمودینامیکی اساسی در یک سیستم یا فرآیند عبور کند. گرمای وارد شده به یک فرآیند یا ایجاد شده در آن توسط واکنش گرمازا باعث افزایش مداوم دما می شود - صرف نظر از سیستم کنترل - مگر اینکه راهی برای حذف انرژی گرمایی وجود داشته باشد.

معمولاً تأمین جریان مناسب گرما از یک فرآیند کار دشواری نیست. این به چیزی بیشتر از ایجاد تعادل در گرمای اعمال شده (در واحد ساعت/ساعت یا واحدهای مشابه) با گرمای برداشته شده - با هدایت غیرفعال، همرفت، تابش یا خنک کننده فعال - در مدت زمان مناسب نیاز دارد.

تنها پس از طراحی این مقیاس، باید یک سیستم کنترل (الکترونیکی یا مکانیکی) در نظر گرفته شود تا دمای فرآیند را در حین کار در محدوده مطلوب نگه دارد. سپس انتخاب یک سیستم کنترل مناسب منوط به مجموعه دیگری از محدودیت ها است. دقت، تکرارپذیری و سرعت کنترل دما نمی تواند دلخواه باشد. این پارامترها همچنین باید محدودیت های ترمودینامیکی و عملی و همچنین هزینه را رعایت کنند.

جریان حرارتی اولیه

گرما چقدر سریع می تواند در فرآیند شما جمع شود؟ یک معیار متداول BTU/hr (یا واحدهای معادل آن) است. این مقدار از مشخصات بخاری یا از طریق تولید گرمای گرمازا در این فرایند در دسترس است.

با چه سرعتی می توان حرارت را از فرایند شما حذف کرد؟ ممکن است تهیه این مقدار دشوارتر باشد اما از اهمیت کمتری برخوردار نیست. می توان آن را از نمودارهای رسانایی، همرفت یا تابش، مشخصات سازنده بدست آورد یا با آگاهی از ابعاد سیستم، مواد و محیط محاسبه کرد.

آیا میزان حذف حرارت بیشتر از تولید آن است؟ در این صورت، می توان دمای فرآیند را کنترل کرد. در غیر این صورت، حتی پیچیده ترین سیستم کنترلی موجود نیز نمی تواند کمک کننده باشد.

انتخاب سنسور

نوع سنسور دما تأثیر مستقیمی بر هزینه و عملکرد دارد. به جای آشنایی با نوع خاصی (ترمیستور،RTD  یا ترموکوپل)، حسگری را انتخاب کنید که انتظارات شما را برای عملکرد برآورده کند.

مقرون به صرفه ترین انواع ترمیستورها و نیمه هادی ها هستند زیرا بهترین ثبات سیستم را با کمترین هزینه ارائه می دهند. اگر این انواع دقت یا محدوده کافی را ارائه نمی دهند، ممکن است حساسیت کمتر اما RTD های با دقت بیشتر مناسب باشد. ترموکوپل ها محدوده دمایی گسترده و زمان پاسخ سریع را ارائه می دهند، اما کمترین ثبات و دقت را دارند.

قرار دادن سنسور

مکان سنسور کنترل دما بسیار مهم است. در قرار دادن سنسور دو ملاحظه وجود دارد: شیب دما و تاخیر حرارتی. این اثرات، اگر برطرف نشوند، می توانند باعث شوند که کنترل دما نامنظم باشد یا در تفاوت معنی داری بین نقطه تنظیم و مناطق مهم یک فرآیند رخ دهد.

گرادیانها به دلیل مقاومت حرارتی مواد بوجود می آیند. با انتخاب دقیق مواد و توجه به مسیر جریان گرما می توان آنها را به حداقل رساند. با این حال، یک سنسور کنترل همیشه باید در نقطه ای قرار گیرد که برای فرآیند شما بسیار مهم است.

یک کنترل کننده دما به تنهایی، هر چقدر هم که پیچیده باشد، نمی تواند دمای یکنواخت و بدون شیب را در طول یک فرآیند تضمین کند. گرادیان ها باید با طراحی دقیق مصالح و هندسه به حداقل برسد.

تاخیر حرارتی

تأخیر حرارتی زمان لازم برای جریان حرارت از طریق فرایند و از فرایند به عنصر حسگر است. در صورت وقفه بین سنسور و عناصر سیستم که جریان گرما را کنترل می کنند، می تواند باعث کنترل نامنظم شود.

تأخیر حرارتی را می توان تا حدی با کنترل متناسب با انتگرال و مشتق (PID) جبران کرد، اما این رویکرد باعث کندتر شدن زمان پاسخگویی کلی سیستم و همچنین هزینه کنترل کننده بالاتر می شود. پرداختن به تأخیر حرارتی در طراحی سیستم، روش موثرتری برای دستیابی به ثبات دمای فرآیند است.

استراتژی های طراحی برای کاهش زمان تأخیر شامل اتصال نزدیک بین فرآیند و دستگاه (های) خنک کننده، استفاده از مواد با رسانایی حرارتی بالا و به حداقل رساندن اندازه فیزیکی سیستم است.

مشخصات کنترل دما

انتظارات برای میزان سرمایش و دمای فرایند باید واقعی و در محدوده قابلیت حسگرهای قابل دستیابی و ساخت سیستم باشد. مشخصات دلخواه پایداری و محدودیت دما می تواند منجر به نتایج غیرقابل دستیابی یا هزینه های غیر ضروری شود. اهمیت دقت و صحت دما را در سیستم خود در نظر بگیرید.

 دقت دما مهم است، اما واقعاً چقدر دقت لازم است؟ مگر اینکه با تغییر فاز، آستانه تقطیر یا اثر مشابه که دارای دمای ذاتی دقیق است برخورد کنید، بعید نیست که دقت یک یا حتی چند درجه بر نتیجه فرایند تأثیر بگذارد.

تعیین دقت بهتر از 0.1 درجه می تواند هزینه کنترل و یا طراحی سیستم را به نحوی فراتر از محدوده قابل قبول به همراه داشته باشد. در مورد صحت و ثباتی که فرآیند شما باید در نقطه تعیین شده داشته باشد واقع بین باشید.

انتخاب کنترل دما - الگوریتم

متداول ترین روشهای کنترل دما، کنترل روشن و خاموش و متناسب با انتگرال اختیاری و مشتق (PID) است. اگر یک فرآیند زمان تأخیر حرارتی کمی بین منبع و غرق گرما داشته باشد و اگر سنسور به این مسیر نزدیک شده باشد، کنترل خاموش همیشه پایدارترین و نزدیک به نقطه تعیین شده را نشان می دهد. احتمالاً کمترین هزینه نیز خواهد بود.

وقتی هریک یا هر دو این شرایط (تأخیر حرارتی و اتصال سنسور) به اندازه کافی برآورده نشوند، نوعی از کنترل PID مناسب است. این انتخاب نباید بدون در نظر گرفتن دقیق انجام شود: همیشه هزینه و تلاش بیشتری برای دستیابی به تنظیم رضایت بخش پارامترهای کنترلی در پی خواهد داشت.

کنترل نسبی را می توان برای دستیابی به نوسان کلی کوچکتر دما از نقطه تعیین شده نسبت به کنترل خاموش و روشن تنظیم کرد. مقدار متوسط ​​دمای فرآیند به دست آمده، با این وجود، هنوز جایی در حداکثر نوسان به دست آمده با کنترل خاموش و روشن خواهد بود. این مقدار متوسط ​​به پارامترهای سیستم بستگی دارد و نمی تواند تحت تأثیر قابل ملاحظه ای از کنترل قرار گیرد.

افزودن عمل انتگرال (PI) امکان تعدیل را فراهم می کند تا نوسانات دما کوچک باشد و مقدار دمای متوسط ​​به دست آمده نزدیک به نقطه تعیین شده باشد. با این حال، هنگام راه اندازی یا تغییر نقطه تنظیم، فراتر از حد وجود خواهد داشت، که با تنظیم پارامترها می توان آن را کاهش داد (اما خودسرانه کوچک نکرد).

سرانجام، افزودن عمل مشتق (PID)، در بیشتر موارد، امکان تنظیم را فراهم می کند به طوری که نوسان دما و مقدار متوسط ​​به طور دلخواه با مقدار بیش از حد یا بدون افزایش بیش از حد به نقطه تعیین شده نزدیک می شود. متأسفانه، این امر به قیمت افزایش و سقوط آهسته هنگام راه اندازی یا تغییر نقطه تنظیم می شود. این را نمی توان خودسرانه تنظیم کرد. باPID ، تنظیمات پارامتر برای دستیابی به پاسخ دمایی مطلوب ممکن است طولانی، خسته کننده و نسبت به ویژگی های سیستم حساس باشد.

انتخاب کنترل دما - نمایش و خروجی

با دقت در نظر بگیرید که چگونه دمای فرآیند و نقطه تنظیم به کاربر نمایش داده می شود. اگر بازخوانی دما در 0.001 یا حتی 0.01 درجه ارائه شود، حتی یک کنترل کننده با کیفیت بالا و یک سیستم با دقت طراحی شده می تواند ناپایدار به نظر برسد. همیشه دقت بازخوانی را در بزرگترین واحد که برای فرآیند معنی دار است، مشخص کنید. یک درجه معمولاً در برنامه های غیر علمی کافی است.

خروجی کنترل برای فعال کردن دستگاه های خنک کننده فعال مطابق با الزامات آن دستگاه ها مشخص می شود. انواع رایج شامل مخاطبین رله مکانیکی یا حالت جامد و فرستنده های ولتاژ یا جریان آنالوگ است. نوع کنترل تحریک معمولاً تأثیر کمی بر کیفیت کنترل دما دارد یا هیچ تاثیری ندارد.

در پایان، برای طراحی یا عیب یابی کنترل رضایت بخش برنامه های خنک کننده فرآیند، با طراحی سیستم شروع کنید، نه کنترل انتخاب:

• آیا سرمایش کافی برای گرمای تولید شده وجود دارد؟
• آیا حرارت مسیر مقاومت حرارتی پایینی برای خروج از فرایند دارد؟
• آیا گرادیان دمای سیستم درک شده و به حداقل می رسد؟
• آیا دقت و صحت مناسب برای الزامات فرآیند عملی مشخص شده است؟
• آیا نوع سنسور برای این مشخصات مناسب است؟
• آیا سنسور در مکانی مهمتر از فرایند قرار می گیرد؟
• آیا کنترل روشن و خاموش برای فرآیند و کاربر رضایت بخش است؟ (در صورت لزوم فقط به P ، PI یا PID بروید.)
• آیا دقت صفحه نمایش برای پردازش و کنترل ثبات مناسب است؟

کنترل موفقیت آمیز فرآیند خنک کننده و انتخاب کنترل مناسب مستلزم درک جریان گرما در آن فرایند است.