СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ
METHOD TO CONTROL DRYING PROCESS

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при управлении процессом сушки, преимущественно зерна злаковых и масличных культур, например, пшеницы, ячменя, ржи, тритикале семян рапса, льна, амаранта, подсолнечника.
Известны способы управления процессом сушки [Патенты РФ №2117228, опубл. 10.08.1998, Бюл. №22; 2200288, опубл. 10.03.2003, Бюл. №7; 2204097, опубл. 10.05.2003, Бюл. №13], в которых отработанный сушильный агент после предварительного нагрева влажного продукта подают сначала на осушение в испаритель, а затем в конденсатор теплонасосной установки, после чего направляют в сушилку.
Известные способы реализованы с применением парокомпрессионной холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, при отсутствии источников вторичного тепла в условиях децентрализованных систем теплоснабжения, когда тепловая энергия генерируется непосредственно на объекте производства. При этом исключается возможность использования теплоты низкотемпературного потенциала, в частности, бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов, что не позволяет эффективно решать задачи энергосбережения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сушки зерна [Патент РФ №2406340 C2, МПК A23B 9/02, Способ сушки зерна / Шевцов А.А., Бритиков Д.А., Дранников А.В., Тертычная Т.Н., Калинина А.В. (RU), №2009103466/13, завл. 02.02.2009, опубл. 20.12.2010, Бюл. №35, патентообладатель: ГОУВПО Воронежская государственная технологическая академия], предусматривающий предварительный подогрев влажного зерна, его сушку и охлаждение; подачу смеси отработанного сушильного агента после сушки и охлаждения зерна в циклон для очистки от содержащихся в ней взвешенных твердых частиц; охлаждение и осушение смеси в холодоприемнике пароэжекторной холодильной машины; подогрев одной части смеси в конденсаторе пароэжекторной холодильной машины и калорифере с последующей подачей сначала на сушку, а затем в циклон с образованием замкнутого цикла, охлаждение зерна другой частью смеси; получение рабочего пара в парогенераторе с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном и его подачу под давлением 0,8…1,0 МПа в сопло эжектора, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°C в испарителе пароэжекторной холодильной машины с рециркуляцией хладагента в холодоприемнике; подачу паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,2…0,3 в конденсатор для подогрева сушильного агента; подачу одной части конденсата, образовавшегося в конденсаторе, в испаритель для пополнения убыли воды и отвод другой его части вместе с конденсатом, образовавшимся при охлаждении сушильного агента в холодоприемнике, сначала в сборник конденсата, а затем в парогенератор с образованием замкнутого цикла.
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает оперативного управления технологическими параметрами на всех этапах подготовки сушильного агента в пароэжекторной холодильной машине при многократном его использовании в контуре рециркуляции. Из-за отсутствия информации о сушке и охлаждении зерна, а также о ходе осушения отработанного сушильного агента отсутствует возможность управления параметрами энергетических потоков в области рациональных значений, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов. Известный способ не позволяет обеспечить точность и надежность управления, не создает перспектив в повышении качества высушиваемого зерна, что связано с отсутствием системы стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и охлаждении в условиях случайных возмущений как со стороны изменения начальной влажности зерна, так и со стороны возможных технологических сбоев вспомогательного оборудования.
Технической задачей изобретения является повышение точности и надежности управления процессом сушки, снижение удельных энергозатрат и повышение качества высушенного зерна.
Для решения технической задачи изобретения предложен способ управления процессом сушки зерна, характеризующийся тем, что он предусматривает предварительный подогрев влажного зерна, его сушку и охлаждение; подачу смеси отработанного сушильного агента после сушки и охлаждения зерна в циклон для очистки от содержащихся в ней взвешенных твердых частиц; охлаждение и осушение смеси в холодоприемнике пароэжекторной холодильной машины; подогрев одной части смеси в конденсаторе пароэжекторной холодильной машины и калорифере с последующей подачей сначала на сушку, а затем в циклон с образованием замкнутого цикла, охлаждение зерна другой частью смеси; получение рабочего пара в парогенераторе с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном и его подачу под давлением 0,8…1,0 МПа в сопло эжектора, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°C в испарителе пароэжекторной холодильной машины с рециркуляцией хладагента в холодоприемнике; подачу паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,2…0,3 в конденсатор для подогрева сушильного агента; подачу одной части конденсата, образовавшегося в конденсаторе, в испаритель для пополнения убыли воды и отвод другой его части вместе с конденсатом, образовавшимся при охлаждении сушильного агента в холодоприемнике, сначала в сборник конденсата, а затем в парогенератор с образованием замкнутого цикла; измерение расхода зерна перед сушкой, влажности и температуры зерна до и после сушки, температуры охлажденного зерна, температуры и расхода сушильного агента в зонах сушки и охлаждения, величины разрежения в испарителе и расхода эжектируемого пара хладагента из испарителя, температуры хладагента в испарителе, уровня конденсата в испарителе; по измеренным значениям расхода и влагосодержания смеси сушильного агента после сушки и охлаждения зерна определяют количество водяных паров в отработанном сушильном агенте, по которому устанавливают коэффициент эжекции пароэжекторной холодильной машины воздействием на соотношение расходов рабочего пара, подаваемого в сопло эжектора и эжектируемого из испарителя, путем изменения расхода рабочего пара; определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от хладагента к сушильному агенту через охлаждающую поверхность холодоприемника; причем при отклонении температуры сушильного агента, подаваемого на охлаждение зерна от заданного интервала значений в сторону увеличения, увеличивают коэффициент теплопередачи путем увеличения коэффициента эжекции воздействием на увеличение расхода рабочего пара на входе в сопло эжектора, а при отклонении температуры сушильного агента, подаваемого на охлаждение зерна от заданного интервала значений в сторону уменьшения уменьшают коэффициент теплопередачи путем уменьшения коэффициента эжекции воздействием на уменьшение расхода рабочего пара на входе в сопло эжектора; при этом по температуре сушильного агента после конденсатора устанавливают расход пара в калорифере и расход сушильного агента в зону сушки с коррекцией по температуре и влажности зерна после сушки; по температуре сушильного агента после холодоприемника устанавливают расход сушильного агента в зону охлаждения.
Технический результат заключается в повышении точности и надежности управления процессом сушки, снижении удельных энергозатрат и повышении качества высушенного зерна.
На фиг. представлена схема, реализующая предлагаемый способ.
Схема содержит зерносушилку 1, разделенную на зону сушки 2 и зону охлаждения зерна 3 и снабженную устройствами подачи и выгрузки зерна 4 и 5; теплообменник 6; калорифер 7; циклон 8; парогенератор 9; эжектор 10; испаритель 11; холодоприемник 12; конденсатор 13; терморегулирующий вентиль 14; насосы 15, 16, сборник конденсата 17; нагнетающие вентиляторы 18, 19; вытяжной вентилятор 20; предохранительный клапан 21; микропроцессор 22; линии: подачи зерна в зону сушки - 0.2; отвода высушенного зерна из зоны охлаждения - 0.2.1; отвода взвешенных твердых частиц из циклона - 0.2.2; подачи кондиционированного сушильного агента из холодоприемника в зону охлаждения зерна - 3.1 и в конденсатор, а затем из конденсатора через калорифер в зону сушки - 3.2; отвода отработанного сушильного агента из зоны охлаждения в теплообменник - 3.3; отвода отработанного сушильного агента из зоны сушки в теплообменник - 3.4; отвода смеси сушильного агента после зон сушки и охлаждения через циклон в холодоприемник - 3.0; подачи рабочего пара из парогенератора в сопло эжектора и калорифер - 2.2; сброса рабочего пара из парогенератора через предохранительный клапан - 2.3; подачи эжектируемого пара из испарителя в эжектор - 1.1; рециркуляции хладагента через холодоприемник - 1.0; отвода смеси паров хладагента и рабочего пара после эжектора в конденсатор - 1.2; отвода хладагента из конденсатора в испаритель - 1.3; отвода конденсата из калорифера, холодоприемника и конденсатора в сборник конденсата - 1.4; подачи конденсата из сборника конденсата в парогенератор - 1.5; датчики: расхода - FE; температуры - ТЕ; влажности и влагосодержания - ME; уровня - НЕ; давления - РЕ; исполнительные механизмы - И.
Способ осуществляется следующим образом.
Влажное зерно по линии 0.2 подают на предварительный подогрев в теплообменник 6, где происходит подвяливание зерна за счет тепловой обработки высоковлажным отработанным сушильным агентом, который подают в теплообменник из зоны сушки 2 зерносушилки 1 по линии 3.4. С помощью загрузочного устройства 4 после предварительного подогрева зерно поступает в зону сушки 2 зерносушилки 1, где происходит снижение его влажности до стандартного значения. В зоне охлаждения 3 зерносушилки 1 зерно охлаждают до температуры 20…22°C и выводят из сушилки с помощью разгрузочного устройства 5 по линии 0.2.1.
Смесь отработанного сушильного агента после зон сушки и охлаждения вытяжным вентилятором 20 по линии 3.0 отводят в циклон 8 для очистки от содержащихся в ней взвешенных твердых частиц, затем охлаждают в холодоприемнике 12 пароэжекторной холодильной машины путем теплопередачи от хладагента, в качестве которого используется вода, к сушильному агенту через разделяющую стенку поверхности теплообмена. В холодоприемнике сушильный агент достигает температуры точки «росы» и содержащаяся в нем влага конденсируется в виде капельной жидкости на поверхности теплообмена, за счет чего происходит осушение и охлаждение сушильного агента. Часть кондиционированного сушильного агента после холодоприемника 12 с помощью вентилятора 18 подается по линии 3.1 в зону охлаждения зерна 3, а другая его часть с помощью вентилятора 19 подается по линии 3.2 сначала в конденсатор 13, затем в калорифер 7 и далее направляется в зону сушки 2 сушилки 1.
Пароэжекторная холодильная машина, включающая парогенератор 9, эжектор 10, испаритель 11, холодоприемник 12, конденсатор 13, терморегулирующий вентиль 14, насосы 15, 16, сборник конденсата 17, и работает по следующему термодинамическому циклу.
В парогенераторе 9 с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном 24 при затрате электроэнергии образуется рабочий пар, одну часть которого под давлением 0,8…1,0 МПа направляют в калорифер 7 для нагрева сушильного агента, подаваемого в зону сушки 2, а другую часть по линии 2.2 подают в сопло эжектора 10, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°C в испарителе 11 пароэжекторной холодильной машины. Потенциальная энергия рабочего пара превращается в кинетическую энергию струи, которая вытекает с большой скоростью, и под действием энергии струи пары хладагента эжектируются и по линии 1.1 поступают из испарителя 11 в эжектор 10.
Образовавшуюся смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,2…0,3 МПа подают по линии 1.2 в конденсатор 13, где, конденсируясь, она посредством рекуперативного теплообмена отдает теплоту сушильному агенту, который нагревается до температуры 65…70°C. В калорифере 7 температуру сушильного агента доводят до 110…120°C за счет высокотемпературного потенциала пара, подаваемого из парогенератора в калорифер. Одну часть образовавшегося в конденсаторе 13 водяного конденсата, являющегося хладагентом, направляют по линии 1.3 через терморегулирующий вентиль 14 в испаритель 11 для пополнения убыли воды. Другую его часть вместе с конденсатом, который образовался при охлаждении паровоздушной смеси в холодоприемнике 12, отводят сначала по линии 1.4 в сборник конденсата 17, а затем с помощью насоса 16 по линии 1.5 в парогенератор 9 с образованием замкнутого цикла.
Информация о ходе процесса сушки и охлаждения зерна, подготовки сушильного агента и пара с помощью датчиков передается в микропроцессор 22, который по заложенному в него программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами посредством исполнительных механизмов с учетом накладываемых на них ограничений, обусловленных как получением высушенного зерна высокого качества, так и экономической целесообразностью.
По текущим значениям расхода, температуры и влажности исходного зерна в линии 0.2 микропроцессор 22 устанавливает заданный режим сушки, а именно массовый и тепловой расход сушильного агента в линии 3.2 на входе в зону сушки 2 воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора 19 и на расход пара в линии 2.2 из парогенератора 9 в калорифер 7 с помощью исполнительного механизма.
По измеренным значениям расхода и влагосодержания сушильного агента перед зоной сушки в линии 3.2 и смеси отработанного сушильного агента после зон сушки и охлаждения зерна в линии 3.0 микропроцессор определяет количество водяных паров, подаваемых в холодоприемник с отработанным сушильным агентом по формуле:
вых
вх
св
U=(x-x)ρV,
вх,
вых
св
3
3
где х х - влагосодержание сушильного агента на входе в зону сушки и смеси отработанного сушильного агента после зон сушки и охлаждения, кг/кг; ρ - плотность абсолютно сухой части сушильного агента, кг/м; V - объемный расход сушильного агента, м/ч,
В зависимости от количества водяных паров микропроцессор устанавливает коэффициент эжекции пароэжекторной холодильной машины воздействием на соотношение расходов рабочего пара, подаваемого в сопло эжектора по линии 2.2 и эжектируемого из испарителя по линии 1.1, путем изменения расхода рабочего пара с помощью исполнительного механизма. При этом осуществляется контроль величины разрежения и температуры хладагента в испарителе 11.
Микропроцессор непрерывно определяет текущее значение коэффициента теплопередачи от хладагента к сушильному агенту через охлаждающую поверхность холодоприемника 12 по формуле:
,
1
2
ср
1
2
1
3
2
3
1
2
3
3
3
2
где Q=Vсρ(t-t) - количество теплоты, подаваемой смесью отработанного после зон сушки и охлаждения сушильного агента в холодоприемник, кДж/ч; с, ρ - средние значения теплоемкости, кДж/(кг·К), плотности, кг/м, сушильного агента; V - объемный расход смеси отработанного после зон сушки и охлаждения сушильного агента, м/ч; F - площадь теплообменной поверхности охладителя, м; Δt=(t-t)/ln[(t-t)/(t-t)] - среднелогарифмический температурный напор, °C; t, t - температура сушильного агента соответственно на входе и выходе из холодоприемника, °C; t - температура хладагента в холодоприемнике, °C,
и осуществляет контроль температуры и влагосодержания сушильного агента на выходе из холодоприемника в линии 3.1, причем при отклонении температуры сушильного агента, подаваемого в зону охлаждения зерна по линии 3.1, от заданного значения в сторону увеличения микропроцессор увеличивает коэффициент теплопередачи путем увеличения коэффициента эжекции воздействием на увеличение расхода рабочего пара на входе в сопло эжектора, а при отклонении температуры сушильного агента, подаваемого на охлаждение зерна от заданного значения в сторону уменьшения микропроцессор, уменьшает коэффициент теплопередачи путем уменьшения коэффициента эжекции воздействием на уменьшение расхода рабочего пара на входе в сопло эжектора; при этом осуществляет двойную коррекцию температуры зерна на выходе из зоны сушки, сначала воздействием на расход пара в калорифер, а затем на расход исходного зерна. Если наиболее интенсивный режим сушки и охлаждения не позволяет обеспечить стабилизацию влажности и температуры зерна на выходе из сушилки в области заданных значений, то это свидетельствует о спонтанном увеличении влажности исходного зерна. В этом случае микропроцессор снижает расход исходного зерна и выводит процесс сушки и охлаждения зерна на допустимую область термовлажностных характеристик высушиваемого продукта.
Информация о текущем значении уровня хладагента в испарителе 10 непрерывно передается в микропроцессор. При уменьшении уровня хладагента микропроцессор вырабатывает сигнал на увеличение расхода конденсата в испаритель 11 через терморегулирующий вентиль 14 в линии 1.3 и уменьшает расход конденсата при достижении уровня хладагента верхнего заданного значения.
Микропроцессор осуществляет непрерывную стабилизацию давления насыщенного пара в парогенераторе 16 воздействием на мощность электронагревательных элементов. При этом достигается заданная производительность парогенератора, контроль за которой обеспечивается датчиком расхода пара в линии 2.2.
Информация о текущем значении уровня конденсата в парогенераторе 17 передается в микропроцессор. При изменении уровня конденсата микропроцессор осуществляет двухпозиционное регулирование приводом питающего насоса 15, включает питающий насос при достижении уровня конденсата в парогенераторе нижнего заданного значения и отключает его при достижении верхнего заданного значения.
В случае технологических и аварийных сбоев в работе парогенератора, связанных с возможным увеличением давления насыщенного водяного пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан 21.
Пример реализации способа.
Способ прошел производственные испытания в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» при сушке зерна озимой пшеницы сорта «Мироновская 808» с начальной влажностью 19,0±0,5% в шахтной модульной зерносушилке типа «С-15» производительностью 15 т/ч при съеме влаги с 19% до 13,5%.
Ниже приведена техническая характеристика пароэжекторной холодильной машины, используемая в линии подготовки сушильного агента:
Холодопроизводительность, кВт
100
Температура кипения:
в испарителе, °C
4
в парогенераторе, °C
170
Температура конденсации, °C
127
Температура сушильного агента на входе
в конденсатор, °C
10…12
Температура сушильного агента на выходе
из конденсатора, °C
65…70
Коэффициент эжекции
4
Коэффициент теплопередачи, Вт/м<sup>2</sup>·К
12
Площадь охлаждающей
поверхности испарителя, м<sup>2</sup>
180
Хладагент
вода
В табл.1 приводятся отклонения параметров сушильного агента (воздуха) в термодинамическом цикле его рециркуляции по известному способу с дистанционным операторным управлением технологическими параметрами и заявляемому способу с микропроцессорным управлением в соответствии с предлагаемым алгоритмом, устанавливающим порядок подачи управляющих воздействий. В табл.2 приведены значения показателей качества образцов зерна, высушенного по известному и предлагаемому способу.
Таблица 1
Параметры
Номинальное значение параметра
По известному способу
По предлагаемому способу
Температура сушильного агента на входе в зону сушки, °C
120
117…123
119…121
Температура сушильного агента после конденсатора, °C
65
62…67
64…66
Температура сушильного агента на входе в зону охлаждения, °C
15
12…17
14…15
Скорость сушильного агента на входе в зону сушки, м/с
6,0
5,0…7,0
5,5…6,2
Скорость сушильного агента на входе в зону охлаждения, м/с
5,5
4,8…6,2
5,1…5,8
Влагосодержание сушильного агента на входе в зону сушки, кг/кг
0,008
0,005…0.010
0,007…0,009
Влагосодержание сушильного агента на входе в холодоприемник, кг/кг
0,025
0,023…0.027
0,024…0,026
Влагосодержание сушильного агента на выходе из холодоприемника, кг/кг
0,008
0,005…0.010
0,007…0,009
Продолжительность сушки, мин
58
60…62
55…58
Установленная мощность, кВт
75
73…79
74…76
Таблица 2
Показатели качества
Характеристика и ограничительная норма для поставляемой мягкой пшеницы, предназначенной для переработки в муку
по ГОСТ 9353-90
по известному способу
по предлагаемому способу
Состояние
Негреющаяся, в здоровом состоянии
Запах
Нормальный, свойственный здоровому зерну пшеницы (без затхлого, плесневого, постороннего запахов)
Цвет
Темно-красный. Допускается наличие желтых, желтобоких, обесцвеченных и потемневших зерен в количестве, не нарушающем основного тона
Влажность, %, не более (для сортового помола пшеницы)
13,5
13,0…14,5
13,2…14,0
Сорная примесь, %, не более
2,0
1,5
1,5
Массовая доля клейковины, %, не менее
18,0
18,0
18,0
Качество клейковины, группа
не ниже II
II
II
Стекловидность, %, не менее
40,0
50,0
50,0
Натура, г/л, не менее
На уровне базисной нормы (710 г/л)
Число падения, с
более 200
более 200
более 200
Трудноотделимая примесь, относимая к сорной примеси, %,
не более 2,0
2,0
2,0
Проросшие зерна, которые относятся к зерновой примеси, %,
не более 3,0
3,0
3,0
Как видно из примера и табл.1 и 2, предлагаемый способ управления процессом сушки дает возможность контролировать процесс сушки и повышает точность и надежность управления технологическими параметрами.
Предлагаемый способ позволяет:
- сузить интервал отклонения параметров сушильного агента от заданных значений, а следовательно, стабилизировать режим сушки в области заданных технологических свойств зерна;
- сократить поле допуска на конечную влажность, снижая ее разброс на 0,1…0,5%;
- повысить производительность сушилки на 5…10% и снизить удельные энергозатраты на 5…10% за счет рационального использования потенциала сушильного агента в контуре рециркуляции, обусловленного точностью управления его параметрами.