電加熱爐:
電加熱爐是常見的工業熱處理設備,設u為電熱絲兩端電壓,設電熱絲質量為M,比熱(物質每升高1開所需要的熱量,單位J/kgK)為C,熱傳遞系數(兩側表面溫差為1℃時在1h內通過1平方米面積所傳導的熱量,單位W/m2K,換算成焦耳單位為J/sm2K)為H,傳熱面積為A,未加熱前爐內溫度為T0,加熱后爐內溫度為T1,單位時間內電熱絲產生的熱量為Qi,根據熱力學知識,當電熱絲的工作電壓增加時,溫度開始發生變化升高。在散熱條件不變情況下,溫度升高將使散熱量加大;
增加的散熱量ΔQo與爐壁的熱傳遞系數,散熱面積和爐內外溫度差有關。根據熱傳遞系數的定義,設爐外溫度為T2;由此可得單位時間內增加的散熱量公式:
單位時間內電熱絲產生的熱量ΔQi減去爐壁表面熱出的熱量ΔQo等于爐內熱能Q的變化量:
電熱絲單位時間產生的熱量與電壓U之間的非線性關系:
在熱平衡點,電熱絲產生的熱量等于爐壁散出的熱量,即Qi=Qo,把上式在熱平衡點(Qo,Uo)附近進行線性化:
由此獲得電熱絲增加給定電壓產生的熱量變化量:
列寫電熱絲的熱平衡方程:
消掉中間變量,獲得列出電熱絲的熱平衡方程:
令ΔT=T1-T0,時間常數T=MC/HA,K=Ku/HA為電加熱爐傳遞系數。在零初始條件下,對上式兩端進行拉氏變換,可得到爐內溫度變化量與控制電壓變化量之間的傳遞函數:
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