Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

thermal systems - 25.4

25.2.3Sources

If we plan to design a thermal system we will need some sort of heat source. One popular heating source is an electrical heating element.

heating coils are normally made out of some high resistance metal/alloy such as nichrome (nickel and chrome) or tungsten.

If we run a current through the wire the resistance will generate heat. As these metals get hotter the resistance rises, hence the temperature is self regulating. If we control the voltage and current we can control the amount of heat delivered by the coil.

resistance

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

temp

 

P = IV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where,

 

 

 

 

 

 

P =

power generated as heat

 

 

I =

current into coil

 

 

V =

voltage across coil

Figure 25.5 Electrical heating elements

25.3EXAMPLE SYSTEMS

We know that as we heat materials at one point, they do not instantly heat at all points, there is some delay (consider a spoon in a hot bowl of soup). This delay is a function of heat capacitance (yes there is a parallel to the electrical description).

thermal systems - 25.5

• Consider an insulated sealed chamber with a resistive barrier between sides, and a heating element in one side.

qi

θ 1, C1

R

θ 2, C2

Given

q0 = heat flow into the left chamber from the heating element

θ 1, C1 = initial temperature and heat capacitance of left side

θ 2, C2 = initial temperature and heat capacitance of right side

Next,

q1

 

 

=

heat flow through the center barrier

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

=

1

( θ

 

 

 

θ

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

--

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

=

1

 

 

 

 

 

 

q )

 

 

 

 

 

d

θ

 

=

1

 

)

 

 

----θ

 

 

-----( q

 

 

 

 

 

 

 

----

 

-----( q

 

 

dt

 

1

 

C

1

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

dt

 

2

 

C

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sθ

 

 

 

 

1

 

 

q

 

 

 

1

( θ

 

θ

)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

= -----

 

0

– --

1

 

sθ

 

 

=

( θ

 

θ

)

 

 

 

C1

 

 

 

R

 

 

 

2

 

 

---------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

RC2

 

1

 

2

Rqo sRC1θ 1

 

= θ 1 θ

2

 

 

θ

1

= θ 2 + sRC2θ

2

θ 1( 1 + sRC1)

 

 

= θ

2 + Rqo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θθ 2 + Rqo

=---------------------

1 1 + sRC1

Figure 25.6 A two chamber thermal system

thermal systems - 25.6

θ 1

=

θ

2 + Rqo

 

 

=

 

θ

2 +

sRC2θ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + sRC1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ 2 + Rqo

= 1 + sRC1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ 2 + sRC2θ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rqo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

+

 

θ

 

2

 

 

 

= 1 + sRC1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1---------------------+ sRC2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + sRC2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

Rqo

=

1 + s

( RC1 + RC2)

 

 

2

R

2

C1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------

+ s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rqo

=

s( RC1 + RC2) + s

2

2

C1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

=

 

s( C1

+ C2)

 

 

2

RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----

 

+ s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

2

=

 

 

RC1C2

 

 

=

A

+

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------------------------------------C1

+ C2

 

 

 

--

---------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

s

 

 

 

C1 + C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s ------------------RC

C

2

 

+ s

 

 

 

 

 

s + ------------------RC

C

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

A =

 

 

 

 

RC1C2

 

 

=

 

RC1C2

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

lim --------------------------------------

C1 + C2

 

 

s

--------------------------------------

 

+ C2

 

 

 

 

 

+ C2

 

 

 

 

 

 

 

 

s 0 s

+ s

2

 

 

C------------------1

+ ( 0)

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RC1C2

 

 

 

 

 

RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------

 

 

 

 

 

B =

 

 

lim

 

 

 

--------------------------------------

 

 

RC1C2

 

 

s +

C------------------1 + C2

=

---------------------------RC1C2

 

= ------------------

qo

 

 

 

 

 

 

C

+ C

 

 

 

 

C

1

 

+ C

2

 

 

2

 

 

 

RC

1

C

2

 

 

C

1

+ C

2

C

1

+ C

2

 

 

s

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

+ s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–------------------ s

------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RC1C2

 

 

RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C------------------1 + C2

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

2

=

 

 

+

 

 

C1

 

+ C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

---------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

C1 + C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s + ------------------RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 25.7 A two chamber thermal system (continued)

thermal systems - 25.7

L

–1

( θ

)

=

qo

 

L

–1

 

1

 

L

–1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--

 

 

---------------------------

 

 

 

2

C1

+ C2

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

C1 + C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qo

 

 

 

 

 

C1 + C2

 

 

 

s + ------------------RC1C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ 2( t)

=

 

 

 

 

 

– -RC- 1C2----------------

t

 

 

 

 

------------------

1 – e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1 + C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 25.8 A two chamber thermal system (continued)

25.4 SUMMARY

25.5 PRACTICE PROBLEMS

1.

25.6PRACTICE PROBLEM SOLUTIONS

25.7ASSIGNMENT PROBLEMS

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]