Алгоритм управления процессом сушки дисперсных материалов в аппарате с закрученными потоками теплоносителя и СВЧ-энергоподводом

При разработке нового сушильного оборудования в современных условиях, как правило, применяют комбинированные способы подвода энергии к продукту. Традиционно одним из них является конвективный подвод, сопровождающийся подготовкой теплоносителя путем смешивания продуктов сгорания жидкого топлива или природного газа, либо нагреванием в калориферах[2]. В качестве второй составляющей энергоподвода нами предлагается использование сверхвысокочастотного излучения. Данное сочетание позволит обеспечить высокое качество высушиваемого продукта вследствие «правильного» - от внутренних к внешним слоям продукта - направление градиента массо-переноса влаги, не реализуемое ни в одном из иных известных методов сушки [1].

Известен ряд алгоритмов управления [4, 5], отличающийся наличием следующих недостатков: недостаточное качество высушенного материала, нерациональное использование тепло-энергетического и материального потенциала, невозможность установления оптимального управления процессом сушки, большая инерционность предлагаемых схем автоматизации. Для устранения вышеперечисленных проблем, возникающих при создании алгоритмов управления, нами предлагается способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в аппарате с закрученными потоками теплоносителя и СВЧ-энергоподводом (рисунок 1).

1 – цилиндроконический сушильный аппарат, 2 – вентилятор подачи тангенциального потока теплоносителя, 3 – калорифер, 4 – вентилятор подачи осевого потока теплоносителя, 5 – калорифер, 6 – бункер для хранения исходного дисперсного материала, 7 – питатель для подачи исходного дисперсного материала в сушильную камеру,8-СВЧ-излучатель; линии: 9 – подачи исходного дисперсного материала, 10 – отвода высушенного дисперсного материала, 11 – подвода тангенциального потока теплоносителя, 12 – подвода осевого теплоносителя; датчики: 13, 14 – влагосодержания исходного и высушенного дисперсного материала; 15, 16 – расхода тангенциального и осевого потоков теплоносителя, 17 – расхода исходного дисперсного материала; 18, 19 – влагосодержания тангенциального и осевого потоков теплоносителя, подаваемых в цилиндроконическую сушильную камеру; 20, 21, 22 – температуры тангенциального, осевого потоков теплоносителя и исходного дисперсного материала; 23, 24, 25, 26, 27 – потребляемой мощности вентиляторов подачи тангенциального и осевого потока теплоносителя, калориферов, СВЧ-излучателя; 28-33 – исполнительные механизмы (а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п – входные каналы управления, ц, ч, ш, э, ю, я – выходные каналы управления); 34 – микропроцессор.

Рисунок 1. Схема управления процессом сушки дисперсных материалов в аппарате с закрученными потоками теплоносителя и СВЧ-энергоподводом:

Предлагаемый алгоритм осуществляется следующим образом.

Влажный дисперсный материал питателем 7 при помощи тангенциального потока теплоносителя подается в цилиндроконический сушильный аппарат 1, куда также подается осевой поток теплоносителя. В результате теплоноситель вместе с частицами дисперсного материала начинает совершать сложное циркуляционное движение вдоль окружности аппарата, увеличивая при этом свою скорость [3].

За счет этого дисперсный материал по мере его высыхания поднимается в верхнюю часть цилиндроконического сушильного аппарата 1, где происходит интенсификация тепломассобмена в процессе сушки за счет воздействия СВЧ-излучателя 8 на частицы дисперсного материала.

Информация о влажности, температуре и расходе исходного дисперсного материала в линии 9 с помощью датчиков 13, 17 и 22 передается в микропроцессор 34, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от влажности и температуры исходного дисперсного материала, подаваемого на сушку, и от условий материального и теплового балансов, устанавливает задание на необходимый тепловой режим и режим подачи как тангенциального, так и осевого, потоков теплоносителя на входе в цилиндроконический сушильный аппарат посредством исполнительных механизмов 30 и 31, соответственно, калориферов 3 и 5, исполнительных механизмов 28 и 29, регулирующих, соответственно, приводы вентиляторов 2 и 4, и исполнительного механизма 33 СВЧ-излучателя 8, регулирующих напряжение электрического тока питания СВЧ-излучателя.

В ходе процесса сушки влажного дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом с помощью оперативной информации с датчиков исходного влагосодержания исходного дисперсного материала 13 и высушенного 14 измеряют текущее значение влажности исходного и высушенного дисперсного материала, по которым осуществляется постоянная коррекция процесса сушки по 3 уровням, а именно скорости потока теплоносителя, мощности калориферов и СВЧ-излучателя, в зависимости от их приоритетной последовательности. Вследствие этого происходит значительное снижение инерционности управления, т.е. сужение интервала времени с момента получения информации о ходе сушки до подачи управляющего воздействия на исполнительные механизмы регулирования, повышает чувствительность системы управления процессом на случайные возмущения со стороны работы оборудования, большую часть которых удается полностью компенсировать, т.е. удается повысить точность и надежность управления процессом сушки.

При осуществления вышеуказанного алгоритма корректировки не маловажным фактором определения оптимальных режимов управления является нахождение экстремума функции коэффициента эффективности работы сушильного аппарата, которую представим в виде:

К эф. = 23 , (1)

где П – производительность сушильного аппарата, кг/ч; 2 З - сумма всех затрат в стоимостном выражении, руб./ч,

2з = зэ + з„, (2)

Зэ - энергетические затраты, руб./ч; Зм - материальные затраты, руб./ч.

Суммарные энергетические затраты определяют по формуле:

З э = ^ кт Ц эл. + ^ к2 Ц эл. + ^ыЦ эл. + ^ в2 Ц эл. +^ пит Ц эл. , (3)

где N _K1 - мощность калорифера, установленного на подаче тангенциального потока теплоносителя, кВт; М _к2 - мощность калорифера, установленного на подаче осевого потока теплоносителя, кВт; М _в1 - мощность привода вентилятора, установленного на подаче тангенциального потока теплоносителя, кВт; М _в2 - мощность привода вентилятор, установленного на подаче осевого потока теплоносителя, кВт; М _пит -мощность питателя, кВт; Ц _эл. - цена единицы электроэнергии, руб./(кВт∙ч).

Суммарные материальные затраты определяют по формуле:

^Зм ^ исх.п. • Ц ед.п. , ⁽⁴⁾

где С _исх._п. - расход исходного продукта, поступающего на сушку, кг/ч; Ц _ед._п. - цена единицы исходного продукта, руб./кг.

Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом позволяет:

• -    обеспечить многоканальное управление по трем уровням, что позволяет повысить точность и надежность управления в наиболее оптимальных диапазонах изменения режимных параметров, т.е. снизить инерционность управления;

• -    позволяет получить высушенный дисперсный материал высокого качества за счет оптимизации режимных параметров процесса сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом;

• -    снизить иннерционность управления, т.е. уменьшить интервал времени с момента получения информации о ходе процесса сушки до