SE446243B - Forfarande for styrning av uppvermningsforloppet for en i ett kokkerl befintlig, vetskeformig last - Google Patents

Description

8500094-1 ._ z Som redan angivits ovan är uppfinningen-is syfte att uppna en snabb uppvärmning av en vätskeformig last till en förutbestämd temperatur, vanligen lastens koktemperatur.

Uppvärmningen skall ske med full effekt och effekten skall minskas i precis rätt tid för att överkok skall förhindras. Om förloppet även innefattar en vidarekokningsdel skall denna fortlöpa om möjligt utan märkbara fluktuationer i kokningsintensiteten. För att uppna detta syfte innebär förfarandet l korthet att man genom upprepad mätning av dels kokplattans temperatur Tp och dels kokkärlets temperatur Tk med hjälp av beräknade, kända eller uppskattade parametrar kan bestämma en sluttemperatur för lasten Tv slut' som denna skulle uppna om kokplattans effekt kopplades ifran i detta ögonblick. När denna beräknade sluttemperatur överensstämmer med lastens förut- bestämda temperatur, exempelvis koktemperaturen, kopplas värmeeffekten bort och det är endast i kokplattan och kokkärlet magasinerad värme som svarar för den avslutande mjuka uppvärmningen till koktemperatur.

Med hänvisning till fig. 1 skall följande beteckningar införas. Det antas att en av vatten bestaende last ll] skall uppvärmas i en kastrull ll placerad pa en kokplatta 12 som uppvärmes av värmespiraler 13 anslutna till det elektriska nätet via terminaler lll, 15. Mängden vatten representeras av en termisk massa mv och denna har en tem- u peratur Tv. Kokplattan har pa samma sätt en termisk massa m och plattans tempera- tur betecknas T . Kastrullens temperatur, som utgör ett matt pa lastens temperatur, betecknas Tk. Kokplattan, vars maximala effekt betecknas Pmax, avger när den upphettas av värmespiralerna 13 till kastrullen ll värmeeffekten eller- flödet d , vars storlek bestämmas av den termiska resistansen R k mellan kokplatta och kastrull.

Förlusterna till omgivningen utgöres av lastens förluster dv hiss (stralning och förangning) och kokplattans förluster dp loss. Kokplattan är normalt infäst i en icke visad kokhäll och med dp 1088 avses förluster till omgivningen via infästningen.

Med utgångspunkt fran att kokplattans termiska parametrar är kända kan man ur de uppmätta tidsförlnppen T = f (t) och Tk = f (t) bestämma värdena för de parametrar som har betydelse när Tv slut skall fastställas. Beträffande temperaturerna T och Tk mätes dessa med givare som känner temperaturen hos gjutgodset i kokplattan (TP) respektive anligger mot kastrullens botten (Tk). Temperaturgivaren för T skall därvid placeras sa att den känner kokplattans medeltemperatur. Nagon överledning fran värmespiralerna 13 till givaren far ej förekomma. Temperaturen Tk representerar kastrullbottens yttertemperatur i centrum.

Bestämningen av Tv Slut sker i det praktiska fallet genom en iterativ beräkning som lämpligen genomföras med hjälp av en dator. Principen för beräkningen framgar av fig. 3 som visar ett flödesschema för de beräkningar som till resultat skall ge Tv slut.

Beräkningsgangen är i korthet den att med korta tidsintervall, exempelvis var tionde sekund, samhörande värden pa T respektive Tk mätas, varefter för varje sadant värdepar ett temperaturutjämningsförlopp simuleras som skulle ske om kokplattan 8500094-1 stängdes av och endast den i kokplattan respektive i kokkärlet magasinerade energin fick verka. Temperaturutjämningsförloppen för Tp respektive TV återges i fig. 4, ur vilken frafnrgfir att nya värden på T respektive Tv bestämmas för jiírnna tidsintervall, exempelvis 38 sekunder, till dess Tv Slut och dess motsvarighet TP Slut uppnåtts. Hur :nan 'fastställer att slutvärdena på TV och T uppnåtts kommer att beskrivas under hänvisning till fig. 3. I anslutning izärtill komnïer endast nyinförda beteckningar att förklaras.

Som redan angivits ovan sker först en .rnätning av T - respektive Tk och ur dessa 'värden kan en iieräkriarl lasttemgneratili' Tv her bestämmas ur sambandet: Rkv . _ _ __ ,. _ rv ber" Tk RpL, ' din Tk) Rkv den termiska resistansen niellaii kokkärl och last som beror av Tk enligt l sambandet F., : k . -~- , där k är en konstant.

Kv' i, i k Rpk (se fig. l) bestämmer, ur sambandet T - T Va 1 Rpk z -E-w-k- C/W dP där värrneflíñdet du i sin tur bestämmas ur sambandet _ _ W :Ånfllhšjï-B .mp (Äploss P är kokplf-ttans inkupplade effekt som kan variera mellan ett största värde Pmax och noll. Om :nan vill vara noggrannare kan P ersättas av en elifekt Pmt som är P filtrerad med tidekoiistanten hos plattans vârmespiraler.

(ITQ , sorn är “Jpzs tidsderivata, kan enkelt bestämmas genom järnförelser mellan dt ~ tva näraliçjgaride Tp-všírden. qi proportionell mot T enligt sambandet p loss p ul När 'FV ber fastställts uppställes formler fbr de värrnernängder som är berörda under det 'fürutbefstäfnda tidsintervallei* Å t, vilket exempelvis kan uppgå till = l .T , därlär en konstant. p loss p 3G sekunder. Värrnernängderna är: AG ,A*: p loss : dp loss Ae v loss z dv loss ' T _ , A QpV:=_.P_.__Ä/_- /Å i.

R pk ßålillwfr-i L* IJtöver tidigare bestämda storheter erfordras kännedom om dv my sam kan _ _, bestärnrnas-tir T , enligt sambandet v oer g m . , där m är en konstant. få Nästa steg i berïåkningsgangen innebär att nya 'värden på Tp och Tv beräknas efter = T v loss _ v ber tiden Å t enligt savælaariden -rp (i + A i) = rp (i) ~ < A om + A op [Bsp/mp )/m TV(t+At)=TV(t)+( AGpV- A QVIDSS V där t anger tidpunkten för närmast föregående mätning av TP respektive Tk.

Kokplattans termiska massa m0 har ett bestämt värde uttryckt i J/ÜC. Lastens storlek uttryckt som dess termiska massa rnv uppskattas med hjälp av sambandet u! _.. s i ß i mv dT 1/ C __! di; _ dTV är iziaztlarx-.perr-.xturens tidsderivata och kan anses med tillräcklig noggrannhet a? _ ävarensstäfrïrfia med dTk . i är _ i nästa steg i flëdesschemat jämföras TV (t + A t) med Tv (t) och så länge det förra värdet större än det senare köres programmet i den i fig. 3 visade loopen rned de sålunda beršiknade värdena på Tp och TV som nya ingångsvärden för att' erhålla nya värden efter en ny ïi=l [Ä t. _ När efter ett antal beräkningar TV tenderar att sjunka och Tu (t+ /_\, t) sålunda understiger T (t) blir detta en indikation på att T och dess motsvariohet T v v slut “ p slut uppnåtts.

Det beskrivna. iterativa beräkningsförloppet sker upprepat under llppvärninings- skedet, exanwpelvis var tionde sekund. Hur ett sådant beräkningsförlopp kan ska âskâdliggöres diagrammet i fig. 4. Det antages att energitillförseln till kokplattaii ' avbrytas vid tiden t och dennas temperatur sjunker därefter kontinuerligt genorn att får varje tidsintervall .ll t plattan avger värrnemängden Å Qp loss till omgivningen och värmemängden A 539V till lasten. Dessa värmemängder fastställes enligt de ovan redovisade farmlerna vid varje med ett kryss markerad punkt i diagrammet. Pâ samma sätt stiger lastens temperatur TV genom att den tillföras värmemängden ( Å Qpv _ A G ). Efter ett antal tidsintervaller Å t' har temperaturerna T och T _ v loss - _ p slut v alm. uppnåtts vilket, sozn ovan angivits, skett när Tv Slut tenderar att sjunka. 8500094-1 Den iterativa beräkningen av Tv slut enligt fig. 3 sker upprepat ca var tionde sekund och varje sådant värde jämföras med den förutbestämda sluttemperaturen, vanligen lastens koktemperatur. När TV slut överensstämmer med den förutbestämda temperaturen kopplas kokplattan ifrån och det verkliga temperaturutjämningsförloppet påbörjas. Under detta förlopp fortsätter mätningen av Tp och Tk som tidigare. När Tp nu minskar kommer felkällorna i beräkningarna att minska och T successivt att beräknas med allt större noggrannhet. Efterkorrigeringar kan dåvgsölilaízs under utjäm- ningsförloppet till jämvikt genom att, om så erfordras, extra effektpulser tillföres kokplattan. När jämvikt uppskattas ha natts och TV nått den förutbestämda tempera- turen inkopplas kokplattan åter men nu med lägre effekt i ett färdigkokningsförlopp.

Detta kan styras pa vanligt sätt genom konstanthållning av kokkärlstemperaturen Tk.

I fig. Z redovisas resultaten av ett försök där en liter vatten kokats upp i en 2-liters kastrull utan lock. Uppkokningsförloppet efterföljes av ett termostatstyrt vidarekokningsförlopp, vilket kan vara tillämpligt l de fall man har en last som skall färdigkokas vid lag kokintensitet. Diagrammet i figuren har en övre del och en nedre del. I den övre delen redovisas temperaturerna T , T , T , T och T liksom k v v slut inkopplingseffekten P. I den nedre delen återges kurvor för mv, iiisïch Rpk.

Kokplatten, som har maxeffekten 1500 W och vidare en diameter av 180 mm, inkopplas vid tiden t = 0 och är inkopplad till dess Tv Slut uppnår 100 CC då effekten kopplas ifrån. Detta sker efter ca 6 minuter. Under uppvärmningsförloppet stiger T exponentiellt till ca 300 OC för att därefter under temperaturutjämningsförloppelt sjunka till ca 170 DC, en temperatur som är lämpad för det efterföljande färdig- kokningsförloppet. Som även framgår i diagrammet, följer Tv kurvan för Tv slut och når efter ca 7 minuter koktemperaturen 100 DC. Kurvan för TV smyger an mot temperatur- linjen för koktemperaturen utan att något insvängningsförlopp uppkommer. Även tidsförloppet för den inkopplade effekten P är inritat. P är här uttryckt i procent av full effekt. Den sistnämnda kopplas ifran efter ca óminuter men inkopplas igen när kokplatteniperaturen efter ca 9 minuter sjunkit till färdígkokningsnivà.

Diagrammets nedre del innehåller tidsförloppen för mv, dp och Rpk. Det till kastrullen överförda värmeflödet rip ökar som väntat med temperaturskillnaden (Tp - Tk) och når efter ca 5 minuter sitt slutvärde uppgående till ca 1200 W. Den termiska resistansen Rpk antar mycket snart ett stabilt värde uppgående till ca 0,20 oC/W. Kurvan för lastens storlek mv uppvisar större variationer men även värdet på denna storhet stabiliseras efter ca 3 minuter. I exemplet motsvarar mv ca 1,2 l vatten, vilket även innefattar kastrullens termiska massa.

I samband med den iterativa beräkningen av Tv slut bestämdes även en mot- svarande slutternperatur för T kallad TP Slut. Denna temperatur saknar betydelse under uppvärmningsförloppet men kan utnyttjas för att fastställa den tidpunkt när effekten skall aterinkopplas för ett efterföljande färdigkokningsförlopp. Fördelen 8500094-1 härmed är att Tp Slut upptagen energi och som tar hänsyn till de termiska resistanserna Rpk och Rkv. Om således färdigkokning skall ske med så lag kokintensitet som möjligt kan systemet anger en nivå för TP som gäller vid jämvikt mellan avgiven och reglera pa just ternperaturen Tp slut.

Ett annat sätt att finna den tidpunkt när Tp sjunkit till önskad nivå är att när TV slut natts och effekten kopplats ifrån inkoppla en termostat som aterinkopplar effekten när den önskade kokplattemperaturen natts. Denna önskade nivå för Tp mäste dock fastställas att gälla för alla kokförlopp och man kan inte i ett enskilt förlopp ta hänsyn till att olika kokkärl passar olika väl till kokplattans diameter eller att dessa har olika god anliggning mot kokplattan.

Claims (10)

8500094-1 P a t e n t k r a v

1. l. Förfarande för styrning av uppvärmningsförloppet för en i ett kokkärl befintlig, vätskeformig last, vilket kokkärl är placerat pâ en elektriskt upphettad kokplatta eller kokhäll, k ä n n e t e c k n a t därav, att under uppvärmningsförloppet vid upprepade mättillfällen mätvärden svarande mot kokplattans (Tp) respektive kokkärlets (Tk) temperatur insamlas, att i anslutning till varje mättillfälle, med hjälp av de insamlade mätvärdena en sluttemperatur (Tv slut) för lasten beräknas som skulle uppnås om energitillförseln till plattan då avbröts och att energitillförseln till kokplattan avbrytes när den beräknade sluttemperaturen (Tv SIUÛ överensstämmer med ett förínställt temperaturvärde.

2. Förfarande enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att lastens slut- temperatur (TV slut) beräknas med hänsyn till kokplattans temperatur(T ), lastens beräknade temperatur (TV bar), den termiska resistansen kokkärl, lastens termiska massa (mv) samt förluster i kokplattan (rip loss) liksom hos lastenozlv Ingå.

3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att lastens beräknade temperatur T beräknas enligt sambandet v ber TV har = Tk - Rkv/Rpk . (TP _ Tk) , där T är kokkärlets temperatur, k R är ett uppskattat värde pà den termiska resistansen mellan kokkärl och last kv l enligt sambandet Rkv = a . f: , Rpk är den termiska resistansen mellan kokplatta och kokkärl och TP är kokplattans temperatur.

4. Förfarande enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att den termiska resistansenßïpø mellan kokplatta och kokkärl beräknas enligt sambandet Rpk = (TP _ Tk) ldp, där dp är den till kokkärlet avgivna effekten som beräknas enligt sambandet dT (ápzpmax-EEE e fnp"dploss g Pmax utgöres av kokplattans maximala effekt, d p loss = b . TP är kokplattans till omgivningen avgivna förlusteffekt och 85Û0094-i CA) dT _ -a-t-E . m representerar för kokplattans egenuppvärmning erforderlig effekt, varvid' mp är kokplattans termiska massa och ü kokplattemperaturens tidsderivata. ' dt

5. Fšírfarande enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, ett lastens termiska massa mv beräknas ur sambandet mv = fâ , där är kokkärltemperaturens tidsderivata. dTk dt EF'

6. Förfarande enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att lastens slut- temperatur (TV qui) bestämmas genom en iterativ metod enligt vilken för varje mätvärdespar iTk, T) ett temperaturutjämningsförlopp simuleras på sådant sätt att lastens temperatur (TV beà först bestämmas med de mätta temperaturvärdena (Tk, Tà, varefter motsvarande bestämning göres efter tiderna A t, 2 A t, 3 A t etc. och da på grundval av de vid närmast föregående beräkningstillfälle bestämda värdena pà kokplatteinperaturen f T ö respektive lasttemperaturen (Tv beg , varvid varje beräknat värde på lasttemperaturen (TV bar) jämföres med föregående värde och lastens sluttemperatur (TV slut) faststalles till det första värde på lasttemperaturen (TV bar) 'som understiger närmast föregående värde.

7. Förfararide enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att för varje mätvärdesparfik, Tic) , lasttemperaturen (TV beg bestämmas och man bildar värme- mängderna ~ d At p loss ' Ao p loss : Ao At v loss = dv loss ' A@DV=Tp-I;{Tvber .Åh . pk och m är en konstant, flärd :HLTV ber varvid vårmemängderna utnyttjas för bestämning av nya värden på kokplattemperaturen (TD x v loss jrespektive lastternperaturen (TV bar) enligt sambanden (t+ A t)=Tp (t) - Å Qpv+ Å Gp loss m P “ o - o Tvssät* A f)=TVber<*>+_Å¿_ax__A__~/_12§§, fTl V varefter TV ber (t + A t) jämföras med TV ber (t) för bestämning av lastens slut- teiïipei~atur (TV Slut) . ~.--............._.....,.....~ . 8500094-1

8. Förfarande enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att det mot lastens slutteznperrxtur svarande värdet på kokplatternperaturen (Tpqluà (T l fastställes och utnyttjas sgnsihfieglertemperatur för en efterföljande inkoppling av en lägre värmeeffekt i ett färdigkokningsförlopp.

9. Förfarande enligt nagot av föregående patentkrav , k ä n n e t e c k n a t därav, att lastens slutternperatur beräknas även sedan energitillförseln till plattan avbrutits och att korrigering medelst extra energipulser sker, om den beräknade temperaturen understiger det förinställa temperaturvärdet.

10. Förfarande enligt nagot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det förinställda temperaturvärdet utgöres av lastens kokternperatur.