Снижение теплоэнергетических затрат энергоемких процессов в технологии комбикормов

DOI:

БД Agris

For cite

В работах [1, 2] сформирован методологический подход к созданию энергосберегающих процессов с непосредственным вовлечением в процесс производства теплонасосных технологий для подготовки энергоносителей при получении комбикормов заданного гранулометрического состава.

Выполненные экспериментальные и аналитические исследования подготовили условия для разработки энергоэффективных технологий комбикормов с подключением парокомпрессионного (ПКТН) и пароэжекторного (ПЭТН) тепловых насосов по замкнутым термодинамическим схемам (рисунки 1, 2).

Рисунок 1. Функциональная схема производства комбикормов с использованием парокомпрессионного теплового насоса

Однако стратегия оперативного управления технологическими параметрами в области допустимых технологических свойств получаемой комбикормовой продукции не позволяет найти компромисс между конфликтующими технико-экономическими показателями и разрешить основное техническое противоречие между производительностью и энергозатратами.

Задача управления существенно усложняется при отсутствии практической возможности подробного описания тепловых процессов, протекающих в замкнутых термо- динамических рециклах на основе законов феноменологической термодинамики с учетом сбалансированности материальных и энергетических потоков в технологической системе. Возникает необходимость в адаптивных системах управления на основе экстремальных характеристик управляемого объекта [3].

Рисунок 2. Функциональная схема производства комбикормов с использованием пароэжекторного теплового насоса

Эффект адаптации достигается за счет того, что получение информации о протекающих процессах выполняется в условиях эксплуатации технологической линии производства комбикормов заданной крупности (выровненного гранулометрического состава), а использование информации о протекающих процессах позволяет сформировать сигнал управления по экстремальному значению функции цели [4, 5]. Не исключено, что экстремальные точки объекта управления технологией комбикормов являются «плавающими».

Цель работы - построение оптимизационной модели, обеспечивающей поиск оптимального значения расхода рассыпного комбикорма по минимальному значению удельных энергозатрат, на основе критерия оптимизации в виде функции R = f(G), график зависимости которого имеет ярко выраженный экстремум:

∑ З i

R = ¹    → min ,         (1)

Gкк где – затраты электроэнергии (р/ч) на приводы: З1 –вентилятора для охлаждении смеси исходного рассыпного комбикорма и горячих гранул; З2 – валков измельчителя; З3 – просеивателя; З4 – затраты тепловой энергии на процесс гранулирования мелкой фракции; З5 - пресса-гранулятора; З6 - транспортного оборудования для перемещения продукта; З7 - компрессора теплового насоса при использовании парокомпрессионного теплового насоса или тепловой энергии в парогенераторе при использовании пароэжекторного теплового насоса; Gкк – расход комбикорма выровненного гранулометрического состава (средняя фракция)

Первое слагаемое в числителе критерия (1):

З 1 = Ц э N 1 = k э Ц э Δ P F v ,       (2)

где Ц э – стоимость электроэнергии, р/кВт ⋅ ч; N 1 – мощность вентилятора, кВт; k э – коэффициент перевода механической энергии потока охлаждающего воздуха в электрическую энергию электропривода вентилятора; F – площадь сечения охладительной камеры, м²; v – скорость охлаждающего воздуха, м/с.

Перепад давления воздуха в слое смеси рассыпного комбикорма и горячих гранул:

Δ P = k 1 v² ,              (3)

где k 1 – коэффициент, определяемый экспериментально.

Подставим (3) в (2) и обозначим через А затраты электроэнергии в единицу времени на привод вентилятора при охлаждении смеси исходного рассыпного комбикорма и горячих гранул в камере охлаждения:

А = Ц э N 1 = k э k 1 Ц э F v³       (4)

Слагаемое З 2 в числителе критерия (1) выразим через пропускную способность валкового измельчителя, установленного после пресса-гранулятора:

З2 = ЦэN2 = Цэ(k2Gc2м2 +с),(5)

где

Gсм2 =Gсм1+Gкф,(6)

Gcм1 = G + Gгг .,(7)

где N 2 – мощность валкового измельчителя, кВт; G – расход рассыпного комбикорма, поступающего на линию гранулирования, кг/ч; G гг – расход горячих гранул из мелкой фракции рассыпного комбикорма, кг/ч; G см1 - расход смеси исходного комбикорма и горячих гранул из мелкой фракции рассыпного комбикорма, кг/ч; G кф – расход крупной фракции комбикорма, кг/ч; G см2 - расход смеси комбикорма на выходе из смесителя и крупной фракции с просеивающей машины, поступающей на валковый измельчитель, кг/ч; k 2 , с – эмпирические коэффициенты. С использованием кратности рециркуляции имеем:

G см1 = G (1 + σ ) ,            (8)

G кф = G γ (1 + σ ),          (9)

где σ = G гг /G - кратность рециркуляции мелкой фракции комбикорма из горячих гранул, поступающей в смеситель; γ = G кф / [ G(1+ σ ) ] - кратность рециркуляции крупной фракции, направляемой на измельчение в валковый измельчитель.

Учитывая (7)-(9), уравнение (6) принимает вид:

G см2 =G(1+ σ )(1+ γ ).       (10)

Значение G см2 можно определить через размеры [4]:

G см2 = ρ L v b k 3 ,          (11)

где ρ - плотность измельчаемой смеси, кг/м³; L – длина вальца, м; b – зазор между вальцами измельчителя, м; v см – скорость смеси при измельчении, м/с; k 3 – коэффициент объемного использования зоны измельчения ( k 3 <1).

Получим:

Gсм2 = В·G,(12)

где

В = ρ L vсм b k2 k3.(13)

При этом формула (5) с учетом формулы (12) записывается в виде:

З2 = Цэ [k2 В2 G2 + с].(14)

Следующее слагаемое З 3 числителя критерия оптимизации (1) определили по формуле [9]:

З 3 = Ц э N 3 = Ц _эπω³ А_с²Q_пр /13800η, (15)

где N3 – мощность привода просеивающей машины, кВт; Qпр = h ⋅z⋅ρ vм- производительность просеивающей машины, кг/ч; h –высота слоя просеиваемого продукта, м; z – ширина просеивающей поверхности, м; vм – скорость продукта, м/с; р - плотность продукта, кг/м3; Ас = е к4 - амплитуда колебаний сит просеивающей машины, м; е – эксцентриситет эксцентрика сита просеивающей машины; k4 – коэффициент, учитывающий колебания рамы просеивающей машины; <у= пп - частота вращения кривошипа, е’1;

П - коэффициент полезного действия передаточного механизма.

Выразим:

пю4 А2/1380 ton = D,(16)

при этом формула (15) будет иметь вид:

З3 = Цэ D G.(17)

Составляющую З 4 критерия (1) рассчитывали по формуле:

З4 = Цп Qп сп Т,(18)

где Q п – расход пара, кг/ч; с п – теплоемкость пара, кДж/кг·K; Т – температура пара, K; Ц п – стоимость тепловой энергии, р/кДж.

Слагаемое З 5 критерия оптимизации (1) определяли по уравнению:

З 5 =Ц э N 5 =Ц э (G + б )=Ц э ( О + б ), (19)

где N 5 - мощность привода пресса-гранулятора выражается уравнениями с экспериментальными коэффициентами £ и £ .

Затраты З 6 критерия (1) представим в виде:

З6 = Цэ Nтр, где Nтр - номинальная мощность приводов транспортирующего оборудования.

Затраты энергии на привод компрессора теплового насоса при использовании ПКТН:

З 7компр = Ц э N компр ,

где N компр , - мощность компрессора, кВт.

Затраты тепловой энергии в парогенераторе при использовании пароэжекторного теплового насоса ( З 7эжект ):

З 7эжект

=G п Ц пара .

Знаменатель критерия (1) выразим через коэффициент извлечения, показывающего, какую часть средней фракции – комбикорма выровненного гранулометрического состава, высеяли из исходной смеси рассыпного комбикорма и измельченных гранул при просеивании:

ⁿ =^G kk / ( G - ^{- G}^ ) ,         ⁽²³⁾

где (G см2 - G кф ) – расход проходовой фракции комбикорма, кг/ч.

Формула (23), учитывая (7) и (8):

П = ЦЦ[ G (1 + о )( 1 + y ) - GY (1 + о )] = (24) = G^/G (1 + о ), тогда:

G kk = n G (1 + o ).         (25)

Подставив (4), (14), (17), (18), (19), (20), (21) и (25) в критерий (1) при использовании ПКТН получим:

А + Цэk2В2G2 + Цэс + ЦэDG + nG (1+о)             >; (26)

+Ц n Q„с„Т + Ц э ^оG + Це + Ц э Ы тр nG ( 1 + о )

и при использовании ПЭТН получим:

„ А + Ц_эk₂В 2 G 2 + Ц э с + Ц_эDG +

R =          nG (1 + о)          ^

+ЦпQпCяТ + Цэ^оG + ЦэЕ + ЦпGп nG (1 + о)

Упростим (26):

R = (a G2 + в G + §) /G, где a = Цэ ■ к2 ■ В2/ [n-(1 + о)],(29)

в = ( Ц э D + Ц э - ^о ) / [ n - ( 1 + о )] , ⁽³⁰⁾

( А + Ц э С + Ц п Q п С п Т + Ц э £ + Ц э N тр ) . (31) [ n ^{( 1} + ^о ) ]

Определяется экстремальное значение G^* :

dR/dG = ( aG ² - § ) /G ^ G * = §/Оа .   (32)

Таким образом, в условиях реальных возмущений экстремум критерия оптимизации (1) обеспечивает минимальное значение критерия (1).

Для технологической линии производства комбикормов выровненного гранулометрического состава с применением ПКТН производительностью 12,9…16,1 т/ч критерий (1) принимает вид:

R = (0,02G² + 116 G + 5511200)/G . (33)

Анализируя (31), делаем вывод, что оптимальное значение расхода исходного рассыпного комбикорма при прочих равных условиях составляет 780 руб/т.

Полученный критерий (33) использован для управления расходом рассыпного комбикорма по минимальной величине теплоэнергетических затрат при двухсторонних ограничениях на режимные параметры основного оборудования, обусловленные получением продукта высокого качества.

По информации датчиков о расходах материальных и тепловых потоков микропроцессор непрерывно вычисляет текущие значения критерия оптимизации R 1, ипо уравнению (33) вычисляет оптимальное значение G *, соответствующее минимальным теплоэнергетическим затратам на