清洗液分离技术的研究
刘祥来QQ584680928
系:电子信息工程系，机电051指导老师:范建红
摘要
介绍了国外清洗技术的发展和国内清洗机行业的现状，指出了国内清洗技术与国外的差距和应注意的问题。智能电热水器由PIC16C72单片机控制。它的主要控制功能不仅仅是平时对加热和保护的控制，还有很强的智能性，包括根据用户设定的温度自动调节冷热水混合比例，并给出一个恒定的温度。同时介绍了系统的结构、硬件和软件设计。介绍了产品外观和电子电路设计，包括报警电路和延时电路、PTC热敏电阻及其优点。
关键词:智能电热水器单片机清洗机现状智能电热水器单片机报警电路热敏电阻
1简介
1.1项目背景及研究意义
清洁行业是随着工业化和现代化的进程以及社会生产的需要而产生和发展起来的。所有的工业部门都有某种形式的清洗，但不同的部门有不同的重视程度、依赖程度和应用开发水平。工业清洗意义重大:是恢复设备生产能力，保证生产连续高负荷运行的必要手段；清洗设备可以有效延长设备的使用寿命；清洗设备有利于节能降耗，减少冷却水用量；清洗设备是减少安全事故发生的有效途径。综上所述，具有节能、降耗、节水、安全、稳定生产、提高产品质量、加快生产速度、延长设备使用寿命、减少环境污染、外形美观、人体健康的目的。为了我国环保事业的发展，研制“碳氢化合物真空超声波清洗干燥系统”是完全必要的。中国各地都在建设新的工厂和生产线，正逐渐成为“世界加工厂”。巨大的市场需求为工业清洗设备制造商和专业清洗剂生产供应商提供了快速发展的良机。鉴于该产品良好的市场前景和国家的大力支持，我认为该项目的投资可以带来巨大的经济效益和社会效益，开展工业清洗液分离技术的研究是非常有必要的。目前国内大部分工厂使用的都是自动清洗机，尤其是日立全自动生化分析清洗机。因为这种仪器检测速度快。准确度不错。很受广大工厂的欢迎。然而，清洁机昂贵且操作复杂。至于国产清洗机，国内清洗效果差或者几天机器就腐蚀了。国产清洗机和国外清洗机相比还是有一定距离的，为了降低成本。开发一种可用于自动加热分离的清洗液具有重要意义。参考文献[27] [28]
1.2本课题的目的是研究工业清洗液的分离技术，主要工作内容如下:
(1)清洗剂冷却、加热蒸馏及清洗剂自动回收系统的设计与制造。
(2)清洗剂的过滤、沉淀、排渣、蒸馏、控温、补液及内循环工艺流程。导热油加热系统、冷却、液位/温度传感器、油水分离器、PLC自动控制系统和液位/温度/压力自动控制系统。
(3)增加防爆措施。防止仪表液体爆炸对工作人员造成意外伤害。
(4)清洗液原材料的选择。。
(5)研究目标:工业清洗液分离技术研究。
1.3本项目设计的基本要求和一般流程
(1)在满足预期功能的前提下，性能好，效率高，成本低。安全可靠。操作简单。维护方便。
(2)确定加热器的工作原理，选择合适的机构。拟定设计方案；进行了加热器各工作机构的容量计算和总体设计。
(3)如何提高系统安全性。水箱不能直接加热。防止直接加热引起的油水爆炸，水箱的材质也要选择，电炉丝的功率也要选择合适。选择什么样的炉丝作为材料等等。
(4)设计水箱容器的尺寸。以及混合液中的水含量、酒精含量、油含量、煤油含量的测定，以及计算仅仅使水、酒精、油、煤油完全挥发需要加热多长时间，电炉丝在这段时间内产生多少热量。空气消耗了多少热量。以及蒸汽带走了多少热量等等。
2加热器的选择
2.1概述
电热丝加热器是电暖器中最早也是最常见的加热器，如实验室用的电炉、电烤箱、恒温养殖、电套管等民用电暖器，如面包烘箱、电吹风、电烙铁等。具有结构简单、加热培养箱控温方便的特点。PTC热敏电阻是一种典型的具有温度敏感性的半导体电阻。当超过一定温度(居里温度)时，其电阻值随着温度的升高而逐级增大。它的电阻随着温度的升高而逐步增大。电阻经常因为电阻发热产生的热量过大而烧坏，所以在选择电阻时，要考虑防止温度过高。本课题选用PTC热敏电阻作为加热元件。因为PTC热敏电阻不仅作为发热元件，还具有将温度保持在特定范围内的作用，同时还起到开关的作用，还可以对电器起到过热保护的作用。。
2.2 PTC热敏电阻电热丝加热器的工作原理
电加热器是基于电阻通电加热产生热量的原理。电热管通电后，根据焦耳定律Q=I2Rt，电热管产生热量，热量通过介质传递给水箱中的水，使水变成蒸汽或水中温度达到油的挥发点，使油挥发。PTC热敏电阻不仅作为发热元件，还作为“开关”，具有敏感元件、加热器和开关三种功能，称为“热敏电阻开关”。如图1和图2所示，当电流通过热敏电阻元件时，电阻丝产生热量，使温度升高，即发热元件温度升高。当超过居里点温度时，电阻增大，从而限制了电流的增加，所以电流减小导致元件温度降低。电阻值的减小使电路电流增大，元件的温度一再升高，因此具有将温度保持在特定范围内的作用，同时也起着开关的作用。利用这种耐温特性制作加热源，可用作加热器、电烙铁、干衣机、空调等加热元件。，还能对电器起到过热保护作用。
PTC热敏电阻加热器的加热原理:加热器根据焦耳-楞次定律Q=I2Rt加热，加热温度在几百到一千多摄氏度之间。辐射(散发)的热量Q1随着温度的升高而增加，即:
Q 1 = Q-Q2 = I2Rt-[Cm(T-T0)+Cm(T 1-T0)]
公式中，Q是电能提供的总热量，Q2是电热丝和介质的热容量，C是电热丝的比值，C0是介质的比热容。m为电热丝质量，m0为介质质量，T0为室温，T为电热丝加热温度，T1为介质温度。T在首次通电时随时间增加，当电提供的能量和损失的能量达到动态平衡时，电热丝的加热温度T稳定。当耗散的能量达到动态平衡时，电热丝的加热温度t是稳定的。参考文献[29]
图1直接保护原理图图2间接保护原理图
2.3电热丝加热器的结构
2.3.1电阻丝材料选择
加热器一般采用镍铬合金丝作为加热器，因为这种材料具有电阻率高、熔点温度高的特点。为了使单位面积散发的热量更大，温度更高，电热丝螺旋缠绕在耐高温绝缘的陶瓷或云母介质上。电源一般用如下图3、图4所示的铁螺丝螺母连接，其触点根据加热器不同有二到十个触点。
2.3电热丝加热器的结构
2.3.1电阻丝材料选择
加热器一般采用镍铬合金丝作为加热器，因为这种材料具有电阻率高、熔点温度高的特点。为了使单位面积散发的热量更大，温度更高，电热丝螺旋缠绕在耐高温绝缘的陶瓷或云母介质上。电源一般用如下图3、图4所示的铁螺丝螺母连接，其触点根据加热器不同有二到十个触点。
图3螺旋形电热丝
图4铁螺钉和螺母的连接图
2.3.2加热管t系列
该系列* * *有三种形状的发热管，可以方便地在发热管插座上插拔，就像插拔一个灯泡一样，如下图5所示。t系列加热管适用于不同的使用条件。
图5两种加热管的外形示意图。
T1用于加热小杯中的水，特点是管功率低。它的水平投影是圆形的，面积小5厘米左右。所以可以很容易的穿入到口径和高度都有的杯子里。T2是用来加热深水位或者水壶里的“快热”发热管，它长成了条状，只有一个卡槽，用来把发热管固定在插座里，使其与座内的金属板接触，保证电路畅通。
T3用于加热截面积大，容量大，但高的容器内的水。比如一大盆水，用T1会比较费时，达不到快速加热的目的，T2也不能保证加热管完全伸入液体中。所以在T1的基础上，它的直径扩大了5倍，深度也增加到了20 cm。
因此，系统采用T3系列加热管。
2.3.3加热管插座
它用于连接加热管和温度探头，如灯泡插座。加热管插入后，夹紧并与插座内的金属触点接触，电源电路导通。当需要更换加热管时，就像更换灯泡一样方便。加热管插座上还有一个重要部件——温度探头。当需要测量温度时，拧开探头，接通测量回路，即可进行测量；不需要测量时，将探头旋入插头的凹槽内，断开测量电路，停止加热电路，同时保护探头不受腐蚀。
温度探针
主要由热敏电阻RT组成，为了保护热敏电阻，放在保险丝盒内。保险丝盒的作用是防止水侵入热敏电阻上的触点并腐蚀探头。选择不使用报警功能时，应将整个探头拧入加热管插座内的凹槽内。
2 2.4电加热管的特点
(1)性能稳定可靠。电热管采用中功率高密度设计，大大延长了电热管的使用寿命。316以上不锈钢材质，耐腐蚀，耐洗，使用寿命长。
(2)维护工作量最小的水面除污器(泡沫)清除漂浮在水面上的矿物质杂质，最大限度的清除表面污垢。水箱配有专门的电磁阀定时控制排水，能彻底清除沉淀的矿物质和杂质。
(3)反复的热胀冷缩使水箱水垢不断脱落。
(4)更优化的结构设计，便于使用常用工具进行检查和维护。
(5)安全电路设计:三级电路保护:短路、过流、漏电保护，免除用户后顾之忧。
(6)防干烧设计:当电热元件加热温度超过电热元件所能承受的极限时，电热元件电源自动切断，保护电热元件不被烧坏。
(7)特殊隔热设计:适应各种工作环境，最大限度减少能量损失。
2.5三种控制模式
(1)开关控制:接收信号时打开(关闭)，精确控制温度。
(2)时间比例控制(PID):根据实际工况的变化，采用模糊逻辑PID算法，自动修正参数，调整可变功率，达到最佳温度节能状态。
(3)比例控制:采用智能控制模块(SCR)切割相角输出功率，控制器精确计算输出控制信号，使功能输出与控制信号线性对应。控制精度可在RH 65438±0%以内。
2.6设计重要参数和性能曲线
以下是电加热计算中经常用到的一些性能曲线，对我们的设计很有帮助。
2.6.1电阻温度特性
电阻-温度特性通常称为电阻-温度特性，是指PTC热敏电阻在规定电压下，零功率电阻与电阻温度之间的依赖关系。零功率电阻是指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加到PTC热敏电阻上的功耗很低，使得PTC热敏电阻因其功耗引起的电阻变化可以忽略不计。额定零功率电阻是指在环境温度为25℃时测得的零功率电阻。
lgR(ω)
25 Tmin Tc T(℃)
图6电阻-温度特性曲线
施加电压Vk时Ik的动作电流
Ir施加电压Vmax时的剩余电流
Vmax最大工作电压
额定电压
VD击穿电压
2.6.2伏安特性(伏安特性)
电压-电流特性，简称伏安特性，表示PTC热敏电阻与电负载达到热平衡时电压与电流的相互依赖关系。
我(A)
反向动力学
Vmax VD V
图7伏安特性曲线
施加电压Vk时Ik的动作电流
Ir施加电压Vmax时的剩余电流
Vmax最大工作电压
额定电压
VD击穿电压
PTC热敏电阻的伏安特性大致可以分为三个区域:0和0-Vk之间的区域称为线性区，这里电压和电流的关系基本符合欧姆定律，没有明显的非线性变化，也称为非动作区。VK和Vk-Vmax之间的区域被称为跳跃区。此时，由于PTC热敏电阻的自发热，随着电压的升高，电阻值发生跳变，电流减小，所以这个区域也称为动作区。VD以上的区域称为击穿区，这里电流随着电压的升高而升高，PTC热敏电阻的阻值呈指数下降，所以电压越高，电流越大，PTC热敏电阻的温度越高，阻值越低，很快就会导致PTC热敏电阻的热击穿。伏安特性是过载保护PTC热敏电阻的重要参考特性。
2.6.3电流-时间特性(I-t特性)
电流-时间特性是指PTC热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。通电瞬间的电流称为初始电流，热平衡时的电流称为剩余电流。
图8电流-时间特性曲线
在一定的环境温度下，对PTC热敏电阻施加一个初始电流(保证是动作电流)，动作时间是通过PTC热敏电阻的电流减小到初始电流的50%的时间。电流-时间特性是自动消磁PTC热敏电阻器、延时启动PTC热敏电阻器和过载保护PTC热敏电阻器的重要参考特性。参考文献[25][26]
与热效应相关的参数
(1)耗散系数δ:电阻中功耗的变化量与元件相应温度变化量的比值称为耗散系数，单位为W/℃。耗散系数是表征电阻器与周围介质之间热交换能力的参数，也是PTC元件应用中最重要的参数之一。在材料配方和工艺一定的前提下，PTC本身的居里温度和升阻比基本不变，而PTC器件的其他性能参数是由其结构、外壳和散热条件决定的。耗散系数是这些条件的综合表现。因此，PTC元件的动作时间和恢复特性与耗散系数有关。对于大功率发热部件，散热系数更为重要，直接影响功率输出。
当电压施加在PTC热敏电阻上时，由于功率消耗。电阻的温度逐渐升高，同时向周围介质散热，直到电阻的温度达到稳定，此时消耗的功率全部扩散到介质中。电阻的功耗变化量△P与电阻的温度变化量△T之比就是耗散系数δ。
散热系数对于各种加热装置的结构设计非常重要。只要对器件结构稍加修改，电参数就可以得到很大的提高。然而，长期以来，许多工程师一直被PTC材料和配方的研究所困扰，这是一个很大的遗憾。
(2)热时间常数ε:当系统中有温度传感器时，这个参数非常重要。热时间常数定义为:在零功率条件下，当环境温度突然变化时，电阻的温度变化为其初始温差的63%。所需时间的2%，用ε表示。
(3)热容量C:电阻温度升高1℃所需的热量称为热容量，单位为J/℃, C =εδ。
(4)传热条件:有温差。热量:物体在传热过程中吸收或释放的热量。
热传递有三种方式:传导(热量沿着物体传递)、对流(热量通过液体或气体的流动来实现)和辐射(热量直接从高温物体散发)。
(5)汽化:物质从液态变为气态的现象。方式:蒸发沸腾，蒸发要吸热。
影响蒸发速度的因素有:①液体温度，②液体表面积，③液面上的空气流量。蒸发有冷却作用。
(6)比热容c:单位质量的物质，温度
温度上升65438±0℃时吸收的热量称为该物质的比热容。比热容是物质的特性之一，单位为焦/(千克℃)。常见物质中水的比热容最大。c水= 4。2×103J/(kg·℃)物理意义:指质量为1 kg，1℃温升吸收的热量为4。2×103焦耳。
(7)热量计算:q-排出=厘米⊿t-下降q-吸入=厘米⊿t-升。q与c，m和⊿ t成正比，与c，m和⊿t成反比
(8)电功率定义公式:P=W/t常用公式:P=UI W=Uit Q吸力= cm δ t .参考文献[21]
2.7电加热器的设计和计算
2.7.1电加热器的热设计步骤，一般按以下四个步骤进行:
(1)计算从初始温度加热到设定温度所需的功率和时间。
(2)在维持介质温度不变的前提下，计算维持温度所需的实际功率。
(3)设备及其空气的热损失。
(4)根据以上两种计算结果，选择加热器的类型和数量。总功率是上述两个功率的最大值，考虑1。2系数。
热量计算
(1)初始加热所需的功率
kw =(c 1m 1△t+C2 m2△t)÷864/p+p/2其中C1C2分别为容器和介质的比热(Kcal/Kg℃)。
M1M2分别为容器和介质的质量(Kg)。
△T为所需温度与初始温度之差(℃)
h是初始温度加热到设定温度所需的时间(h)P是容器在最终温度下的散热量(Kw)
(2)维持介质恒温所需的功率
KW=C2M3△T/864+P
式中:每小时加入培养基的M3千克/小时。
(3)维持介质恒温所需的功率
KW=C2M3△T/864+P
式中:每小时加入培养基的M3千克/小时。
(4)热敏电阻的物理特性用以下参数表示:电阻值，B值，
①电阻值:RT (kω)
热敏电阻的阻值与温度呈指数关系，可近似表示为:
①
式中:R2:绝对温度为T2(K)时的电阻(kω)
R1:绝对温度T1(K)时的电阻(kω)。
B: (t1-t2)温度范围内的b值(k)。
图9空气、燃气、水、蒸汽加热的功率密度选择曲线(电加热管壳为不锈钢，耐热10000C)。
②: b值(k)
b的值由热敏电阻的电导活化能决定，电导活化能是反映热敏电阻阻值随温度变化速度的参数，表达式为:
②
其中:b: (t1-t2)温度范围内的B值(k)。
R1:绝对温度T1(K)时的电阻(kω)。
R2:绝对温度为T2(K)时的电阻(kω)
(5)采暖设备热损失计算方法的理论分析根据传热学理论，采暖设备表面总热损失Q可由下式计算。
Q=qpj？S(1)
其中s为设备总散热表面积，m2。
Qpj——总平均热通量，W/m2。
因此，这里的根本问题是如何获得总平均热通量qpj的值。理论上，计算总平均热流密度的方法有三种:热流测试法、导热传热法和对流传热法。
a热流测试法:热流测试法是指用热流计直接测量设备表面不同部位或不同温度区域的热流值，然后取平均值作为最终结果。由于实际工程中有些器件有很多部件是热流计无法检测的，而且检测结果非常片面，所以这种方法的精度不高，只适合现场粗略估计。因此，本系统不使用它。
b导热传热计算方法基于傅立叶导热定律，在已知内外壁温度和保温层热阻(设备钢壁热阻可忽略)的情况下计算热流值。其计算公式为
③
(3)其中qi——为局部热通量，W/m2。
δI——换算后的局部保温层厚度，m
λ——保温材料的导热系数，W/m？℃
TM——水箱内壁温度，℃
Tbi——水箱外壁温度，℃。
这里，我们认为设备外表面温度场的不均匀分布是由于保温层的损坏，导致热阻(λ/δi)的降低。一般情况下，材料的导热系数基本不变，所以理论上可以认为热阻减小的原因是保温层破损减薄。但实际上绝缘层并不是均匀减薄，而是在各种局部情况下被破坏。这里，仅使用绝缘层的换算厚度来表示损坏程度。δI的值通过局部热流测试，然后用公式(2)计算。总平均热通量为
④
⑤
⑥
即由局部面积Si加权的局部热流的平均值。
这种方法的精度会受到很大影响，因为它需要通过局部热流测试来计算δi。且计算复杂，本系统不采用此方案。
对流传热法
对流传热方法基于设备外表面和周围空间之间的自然对流传热。当设备的外表面温度tbi、环境温度t0和空气流速v已知时，总平均热流qpj可通过公式(3)和以下公式计算。
⑦
式中，α为设备外表面与环境之间的对流传热系数，W/m2。
对于二次系统水箱等设备，采用以下公式(4)
⑧
将式⑧代入式⑧，完成后得到⑨。
通过红外热像测试，可以得到设备外表面温度场的准确分布结果，即tbi值，从而可以计算出总平均热流qpj的值。显然，计算的核心是求表面温度加权的平均壁温。参考文献[22] [24]
2.8电加热器设计计算实例
有一个封闭集装箱，宽500mm，长1200mm，高600mm，箱重150Kg。盛有500mm高的水，容器周围有50mm厚的保温层，材质为硅酸盐。水需要在3小时内从15℃加热到70℃，然后水箱中的水温要保持恒定15分钟。需要多大的功率才能达到要求的温度。技术数据:
1，水的比重:1000kg/m3。
2.水的比热:1kcal/kg℃
3.钢的比热:0.12千卡/千克℃。
4.70℃时水的表面损失为4000W/m2。
5.绝缘层损耗(70℃时)为32W/m2。
6.集装箱面积:0.6平方米
7.保温层面积:2.52平方米
初始加热所需的功率:
容器内水的加热:c 1m 1△t = 1×(0.5×1.2×1000)×(70-15)= 16500。
容器本身的加热:C2M2△T = 0.12×150×(70-15)= 990大卡。
平均水面热损失:0.6m 2×4000 w/m2×3h×1/2×864/1000 = 3110.4 kcal
保温层平均热损失:2.52 m2×32w/m2×3h×1/2×864/1000 = 104.5 kcal
(考虑20%的丰度)
初始加热所需能量为(16500+990+3110.4+104.5)×1.2 = 70258.8大卡/千克℃。
运行所需的功率:
加热补充水所需热量:20k g/h×(70-15)×1 kcal/kg℃= 1100 kcal。
水面热损失:0.6m 2×4000 w/m2×1h×864/1000 = 2073.6 kcal
保温层热损失:2.52 m2×32w/m2×1h×864/1000 = 69.67千卡
(考虑20%的丰度)
工作热能为(1100+2073.6+69.6)×1.2 = 6486.54大卡/千克℃。
工作加热功率为:6486.54 ÷864÷1 = 7.5 kw。
初始加热的功率大于运行所需的功率，加热器选择的功率至少应为27.1kw。
最终加热器功率为7kw。选用4根7KW电热管同时加热加热水箱。
2.9电加热器的组成
电加热器的组成如下:图10。
2.10使用条件和维护方法
(1)对污水、煤油水、汽油质量没有特殊要求。
(2)环境温度>；4℃，湿度≤90%RH。
(3)水电到位，外壳接地。
(4)建议定期清洗水箱。(半年为一个周期)。
(5)如果长时间不使用电加热器，按下排水按钮，将水箱中的油和水排出。