Fundamentals of Temperature Control -  William K. Roots

Fundamentals of Temperature Control (eBook)

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2014 | 1. Auflage
240 Seiten
Elsevier Science (Verlag)
978-1-4832-7575-8 (ISBN)
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Fundamentals of Temperature Control
Fundamentals of Temperature Control focuses on theoretical foundations and principles involved in temperature control. The book first offers information on thermal-process representation and response. Discussions focus on response to damped harmonic inputs, principle of superposition, bode diagrams, ramp, step, and impulse functions, harmonic response, electrical analogs, basic equations, and thermal conductivity. The text then examines common thermal elements and open-loop temperature control. The publication ponders on closed-loop temperature control and the dynamics of discontinuous temperature control. Topics include dynamics in the phase plane and time domain, dynamic analysis, closed-loop control, secondary feedback, and cooling processes. The manuscript then examines quasi-continuous and continuous temperature control, as well as quasi-continuously controlled process behavior in the time domain and quasi-continuously controlled process behavior in the phase plane. The text is a vital source of data for researchers interested in the fundamentals of temperature control.

Front Cover 1
Fundamentals of Temperature Control 4
Copyright Page 5
Table of Contents 8
Dedication 6
PREFACE 10
NOMENCLATURE 14
CHAPTER 1. THERMAL-PROCESS REPRESENTATION 20
MATHEMATICAL MODELS 20
SIMPLE PROCESSES 21
ELECTRICAL ANALOGS 21
BASIC EQUATIONS 22
THERMAL CONDUCTIVITY 26
EXPONENTIAL LAG 27
ANALOGOUS ELECTRICAL AND THERMAL NETWORKS 30
CHAPTER 2. THERMAL-PROCESS RESPONSE 33
2.1. Ramp Functions 34
2.2. Step Functions 40
2.3. Impulse Functions 43
2.4. Harmonic Respons 47
2.5. Bode Diagrams 51
2.6. Nyquitst Diagrams 53
2.7. Principle of Superposition 56
2.8. Response to Damped Harmonic Inputs 56
2.9. The s Plane and the Laplace Transform 60
CHAPTER 3. COMMON THERMAL ELEMENTS 66
3.1. Transit Delays 66
3.2. Cascade Lags 77
3.3. Thermometer Examples 79
3.4. Distributed Parameters 81
3.5. Liquid Heating (or Cooling) Processes 87
3.6. Common Thermal Processes 94
CHAPTER 4. OPEN-LOOP TEMPERATURE CONTROL 101
Text 101
CHAPTER 5. CLOSED-LOOP TEMPERATURE CONTROL 109
5.1. Closed-Loop Control 109
5.2. Secondary Feedback 119
5.3. Cooling Processes 133
5.4. Overriding Commands 136
CHAPTER 6. DYNAMICS OF DISCONTINUOUS TEMPERATURE CONTROL 139
6.1. Dynamics in the Phase Plane 139
6.2. Dynamics in the Time Domain 143
6.3. Dynamic Analysis 150
6.4. Heating—Cooling Processes 167
CHAPTER 7. QUASI-CONTINUOUS/AND CONTINUOUS TEMPERATURE CONTROL 182
QUASI-CONTINUOUS CONTROL 182
QUASI-CONTINUOUS SYSTEMS 186
CONTINUOUS CONTROL 191
QUASI-CONTINUOUSLY CONTROLLED PROCESS BEHAVIOR IN THE TIME DOMAIN 193
QUASI-CONTINUOUSLY CONTROLLED PROCESS BEHAVIORIN THE PHASE PLANE 197
THE ERROR (yp) CAUSED BY THE CALIBRATION INTERVAL (pn) 199
NONLINEARITIES IN THE CONTROL-ELEMENT PROFILE 201
PREDICTING SYSTEM PERFORMANCE 203
APPENDICES 207
A. TRANSDUCERS FOR TEMPERATURE-CONTROL SYSTEMS 207
B. SELECTED BIBLIOGRAPHIES ON CONTROL ELEMENTS 213
C. BIMETALLIC DESIGN 218
D. HISTORICAL DEVELOPMENT OF DISCONTINUOUS TEMPERATURE-CONTROL LITERATURE 219
BIBLIOGRAPHY 223
AUTHOR INDEX 228
SUBJECT INDEX 232

NOMENCLATURE


a General symbol for an arbitrary constant

a Symbol for a cross-sectional area [p. 7]

b Symbol for a dimension, usually thickness [p. 7]

b Primary feedback (units of e) [p. 92]

b2 Secondary feedback [p. 100]

e Actuating signal (volts or p.s.i.g., or mm of motion, etc.) [p. 92]

e1, e2 specific values of e [p. 95]

f General symbol for a function, i.e., f(t) is a function of time

{fn(t)}n=1,2,…. Q Ensemble of functions of time [p. 37]

f Frequency (Hz) [p. 64]

fq DEC frequency (Hz) [p. 135]

{gn(t)}n=1,2,… Q Ensemble of responses to {fn(t)} [p. 37]

h General symbol for heat flow (Btu/sec) [p. 4]

hmax maximum heat flow (Btu/sec) [p. 70]

hL Heat loss at conveyor apertures (Btu/sec) [p. 76]

hS Heat loss at stack (Btu/sec) [p. 76]

h(t) Unit step function [p. 17]

i General symbol for an input [p. 28]

io Amplitude of a periodic input, i.e., i = io sin ωt [p. 28]

j

m Manipulated variable (numeric) [p. 70]

mh, mc, mc2 Manipulated variable in the heating and cooling functions of heating-cooling process control [pp. 116, 117]

Mean value of m(t) in DEC (numeric) [p. 135]

mn Where 1 < n < Q. Intermediate value of manipulated variable in a Q position system, i.e., 0 < mn < +1 (numeric) [p. 165]

mQ(=0) Lowest value of manipulated variable in a Q position system (numeric) [p. 180]

n The general term in an ensemble

p Magnitude of the deadspace in a multiposition controller (units of e) [p. 153]

q Quantity of heat (Btu) [p. 4]

q Magnitude of the lost motion in the characteristic of a discontinuous control element (units of e) [p. 100]

q′ (=q/H1) Magnitude of lost motion rated in units of the controlled variable θ (units of θ) [p. 106]

δq Small increment in the lost-motion magnitude (units of θ) [p. 104]

r Reference input (units of e) [p. 92]

s Laplace complex variable (= ζ + jω) (sec−1) [p. 41]

t General symbol for time (usually, sec) Note: θ(t) indicates θ as a time-varying function; similarly, m(t), etc.

ta Time of switching operation (sec) [p. 23]

tc Cooling time (sec) [p. 134]

te Elapsed time since last switching operation (sec) [p. 71]

teo, teq Auxiliary cycling time variables in a quasicontinuously controlled process (sec) [p. 171]

th Heating time (sec) [p. 134]

to On time (sec) [p. 134]

tp Off time (sec) [p. 134]

tq Periodic time (sec) [p. 135]

tq Minimum value of tq (sec) [p. 145]

ty Time corresponding to temperature θy (sec) [p. 83]

Δ1t−Δ4t, etc. Arbitrary increments in t that correspond with increments

Δ1θ−Δ4θ, etc. in θ (sec) [p. 83]

Δot Overshoot recovery time (sec) [p. 134]

Δut Undershoot recovery time (sec) [p. 134]

u Disturbance input (units of θ) [p. 79]

v (=ωT) Algebraically convenient variable for frequency of a periodic input [p. 55]

x General symbol for a dimension [pp. 64, 65]

x An arbitrary constant [p. 84]

y (= θr− θ) Error in the control of a process (units of θ) [p. 107]

Mean value of y in DEC [p. 124]

yd Error due to overcompensated secondary feedback (b2 > q). A component of y (units of θ) [p. 114]

yp Error due to deadspace magnitude p (units of θ) [p. 180]

z Arbitrary constant [p. 18]

Switching condition for bang-bang controllers (numeric) [p. 159]

zi Incoming quality level [p. 163]

zo Outgoing quality level [p. 163]

A Amplitude of a phasor [p. 29]

A RIE sensitivity (units of e and units of θ) [p. 91]

A Conveyor aperture area (ft2) [p. 76]

AS Actuating signal comparator [p. 92]

B Arbitrary constant [p. 67]

Btu British thermal unit

C Thermal capacitance (Btu/°F) [p. 4 et seq.]

Cn(n = 1, 2, …) Thermal capacitance at specified locations (Btu/°F) [p. 59]

Cc Capacitance of coating [p. 61]

Cm Capacitance of mercury [p. 61]

CE Control element [p. 92]

D(d/dt) Heaviside operator [p. 4 et seq.]

D Block-diagram symbol for a control element’s characteristic [p. 92]

DEC Dynamic equilibrium cycling [p. 111 et seq.]

G General symbol for a forward transfer function [p. 56]

G(D) Transfer operator [p. 35]

G(s) Transform of transfer function [p. 42]

G() Transfer function [p. 35]

H General symbol for feedback transfer function

H1 PFE sensitivity (units of e and units of θ) [p. 92]

H2 SFE sensitivity (units of θ) [p. 100]

J Imaginary component [p. 35]

K1, K2 Arbitrary constants [pp. 77, 86 et seq.]

L Arbitrary dimension [p. 75]

Laplace transform [p. 43]

M Mass (lb) [p. 4 et seq.]

N Disturbance-input element attenuation (numeric) [pp. 76,...

Erscheint lt. Verlag 28.6.2014
Sprache englisch
Themenwelt Naturwissenschaften Physik / Astronomie Thermodynamik
Technik Bauwesen
ISBN-10 1-4832-7575-2 / 1483275752
ISBN-13 978-1-4832-7575-8 / 9781483275758
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