СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF DISPERSE MATERIAL DRYING IN SWIRLING FLOW OF HEAT CARRIER WITH UHF ENERGY SUPPLY

Изобретение относится к технике сушки, а именно к способам автоматического управления процессами сушки дисперсных материалов в аппаратах, работающих в закрученном потоке с применением энергоподвода, и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и смежных с ними отраслях промышленности.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в активном гидродинамическом режиме, содержащий подсушку за счет тепла отработанного теплоносителя и сушку материала и заключающийся в измерении расхода, влажности и температуры исходного материала, поступающего в сушилку, расхода и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода теплоносителя, поступающего в сушилку, влагосодержания теплоносителя после сушки, при этом информация с датчиков, измеряющих расход, влажность и температуру исходного материала, поступающего в сушилку, расход и влажность высушенного материала, влагосодержание, температуру и расход теплоносителя, поступающего в сушилку, влагосодержание теплоносителя после сушки, подается в микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от количества влаги и тепла, содержащихся в исходном и высушенном материале, устанавливает температурный режим и режим подачи теплоносителя на входе в сушилку посредством исполнительных механизмов калориферов и вентиляторов с целью обеспечения заданных параметров высушиваемого материала, при этом дополнительно используют датчики, измеряющие потребляемую мощность вентиляторов и калориферов, информация с которых подается на микропроцессор, который непрерывно определяет суммарные энергетические затраты на единицу массы высушиваемого материала и, если они увеличиваются, то уменьшает температуру и расход теплоносителя, если уменьшаются, то увеличивает, а оптимальный расход исходного материала определяется минимизацией функции стоимости энергетических затрат, кроме того, коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют по двум уровням, при этом на первом уровне при отклонении текущего значения количества влаги, испаряемой в какой-либо зоне сушилки от заданного, воздействуют на температуру и расход тангенциально подводимого потока теплоносителя, а на втором уровне, если изменение температуры и расхода тангенциально подводимого потока теплоносителя не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, воздействуют на расход и температуру осевого потока теплоносителя [патент RU №2290583, F 26 B 25/22, 27.12.2006].
Известный способ имеет ряд существенных недостатков:
- недостаточно высокое качество высушенного материала;
- нерациональное использование тепло-энергетического и материального потенциала;
- невозможность оптимального управления процессом сушки;
- большая инерционность системы, т.е. низкие точность и надежность управления процессом сушки из-за случайных возмущений со стороны работы оборудования, что может привести к получению некондиционного материала.
Технической задачей изобретения является повышение качества высушенного дисперсного материала, повышение точности и надежности управления, интенсификация процесса сушки, снижение удельных энергозатрат.
Для решения технической задачи изобретения предложен способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом, характеризующийся тем, что сушку дисперсного материала осуществляют в цилиндроконическом сушильном аппарате с закрученным потоком теплоносителя с СВЧ-энергоподводом, при этом измеряют расход, влажность исходного дисперсного материла, поступающего в сушилку, влажность высушенного дисперсного материала, влагосодержание, температуры и расход теплоносителя как в осевом, так и в тангенциальном направлениях, потребляемую мощность вентиляторов, калориферов и СВЧ-излучателей, информация о ходе процесса сушки передается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму исходя из условий материального и теплового балансов определяет наиболее оптимальные режимы управления, причем коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют по трем уровням, при этом на первом уровне при отклонении текущего значения влагосодержания высушенного дисперсного материала от заданного изменяют температуру подводимого потока теплоносителя либо в осевом, либо в тангенциальном направлении, на втором уровне, если изменение температуры подводимого потока теплоносителя либо в осевом, либо в тангенциальном направлении не обеспечивает требуемой влажности высушенного дисперсного материала, изменяют расход теплоносителя либо в осевом, либо в тангенциальном направлении, на третьем уровне, если воздействия на первых двух уровнях не привели к заданной влажности высушенного дисперсного материала, то при помощи исполнительных механизмов изменяют мощность СВЧ-излучателей, причем оптимальные режимы управления определяются максимизацией функции коэффициента эффективности работы сушильного аппарата, которую представим в виде
,
где П - производительность сушильного аппарата, кг/ч;
- сумма всех затрат в стоимостном выражении, руб./ч,
,
- энергетические затраты, руб./ч;
- материальные затраты, руб./ч,
суммарные энергетические затраты определяют по формуле
,
где  - мощность калорифера, установленного на подаче тангенциального потока теплоносителя, кВт;
- мощность калорифера, установленного на подаче осевого потока теплоносителя, кВт;
- мощность привода вентилятора, установленного на подаче тангенциального потока теплоносителя, кВт;
- мощность привода вентилятор, установленного на подаче осевого потока теплоносителя, кВт;
- мощность питателя, кВт;
- цена единицы электроэнергии, руб./(кВт∙ч),
суммарные материальные затраты определяют по формуле
,
где  - расход исходного продукта, поступающего на сушку, кг/ч;
- цена единицы исходного продукта, руб./кг.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности сушки, качества готового продукта, интенсификации процесса сушки, повышении точности и надежности управления процессом, снижении теплоэнергетических и материальных затрат на единицу массы готового продукта.
На фиг. 1 представлена схема автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом, на фиг. 2 - блок-схема коррекции режимных параметров процесса сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом
Схема содержит цилиндроконический сушильный аппарат 1, вентилятор 2 подачи тангенциального потока теплоносителя, калорифер 3; вентилятор 4 подачи осевого потока теплоносителя, калорифер 5, бункер 6 для хранения исходного дисперсного материала, питатель 7 для подачи исходного дисперсного материала в сушильную камеру; линии: 8 подачи исходного дисперсного материала, отвода высушенного дисперсного материала 9, подвода тангенциального потока теплоносителя 10, подвода осевого теплоносителя 11; датчики: влагосодержания исходного 12 и высушенного 13 дисперсного материала; расхода тангенциального 14 и осевого 15 потоков теплоносителя, расхода 16 исходного дисперсного материала; влагосодержания тангенциального 17 и осевого 18 потоков теплоносителя, подаваемых в цилиндроконическую сушильную камеру; температуры тангенциального 19 и осевого 20 потоков теплоносителя, исходного дисперсного материала 21; потребляемой мощности вентиляторов подачи тангенциального 22 и осевого 23 потока теплоносителя, калориферов 24 и 25, СВЧ-излучателя 26; исполнительные механизмы 27-32 (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); микропроцессор 33.
Способ 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.
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-энергии на частицы дисперсного материала.
Информация о влажности, температуре и расходе исходного дисперсного материала в линии 8 с помощью датчиков 12, 16 и 21 передается в микропроцессор 33, 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 29 и 30, соответственно, калориферов 3 и 5, исполнительных механизмов 27 и 28, регулирующих соответственно приводы вентиляторов 2 и 4, и исполнительного механизма 32 СВЧ-излучателей, регулирующих напряжение электрического тока питания СВЧ-излучателей.
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 12 и высушенного 13 измеряют текущее значение влажности исходного и высушенного дисперсного материала, по которому осуществляют постоянную коррекцию режима управления процессом сушки по 3 уровням, представленным на блок-схеме (фиг. 2), с учетом их приоритетной последовательности. За счет этого значительно снижается инерционность управления, т.е. сужается интервал времени с момента получения информации о ходе сушки до подачи управляющего воздействия на исполнительные механизмы регулирования. При этом повышается чувствительность системы управления процессом на случайные возмущения со стороны работы оборудования, большую часть которых удается полностью компенсировать, т.е. повышаются точность и надежность управления процессом сушки.
к
кз
к
свч
1
2
3
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
1
2
В данной блок-схеме W - конечная влажность высушенного дисперсного материала, W - заданная конечная влажность диспесного материала, N - мощность калорифера, F - расход потоков теплоносителя, N - мощность СВЧ-излучателя, g - граничное условие выполнения I уровня регулирования, i, i, i - число итераций, m - минимальная мощность калорифера, n - максимальная мощность калорифера, n - текущая мощность калорифера, s, s - шаг изменения мощности калорифера, f - граничное условие выполнения II уровня регулирования, v - минимальный расход потоков теплоносителя, k - максимальный расход потоков теплоносителя, k - текущее значение расхода потоков теплоносителя, z, z - шаг изменения расхода потоков теплоносителя, h - граничное условие выполнения III уровня регулирования, a - минимальная мощность СВЧ-излучателя, b - максимальная мощность СВЧ-излучателя, u - шаг изменения мощности СВЧ-излучателя, b - текущее значение мощности СВЧ-излучателя, с, c - шаг изменения мощности СВЧ-излучателя.
Первый уровень. При отклонении текущего значения влагосодержания высушенного дисперсного материала от заданного микропроцессор 33 оперативно вычисляет необходимое изменение температуры подводимого как тангенциального, так и осевого, потока теплоносителя и осуществляет его коррекцию посредством исполнительных механизмов 29 и 30, установленных соответственно в линиях 10 и 11, изменяющих мощность калориферов 3 и 5.
Если изменение температуры подводимого потока теплоносителя не обеспечивает требуемой влажности высушенного дисперсного материала, то коррекцию режима управления осуществляют по второму уровню.
Второй уровень управления предусматривает достижение заданной влажности высушиваемого дисперсного материала путем воздействия на расход как тангенциального, так и осевого, потока теплоносителя, соответственно, в линиях 10 и 11, которое осуществляется с помощью исполнительных механизмов 27 и 28, изменяющих, соответственно, мощности вентиляторов 2 и 4.
Если изменение температуры и расхода подводимых тангенциального и осевого потоков теплоносителя не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, то коррекцию режима управления осуществляют по третьему уровню.
Третий уровень управления предусматривает достижение заданной влажности высушиваемого дисперсного материала путем воздействия на напряжение электрической сети питания СВЧ-излучателей с целью изменения мощности СВЧ-излучения и осуществляется с помощью исполнительного механизма 32, изменяющего напряжение питания.
Информация о расходе материально-энергетических ресурсов, фиксируемая с помощью датчиков 12-26, передается в микропроцессор 33, который по заложенному в него алгоритму исходя из условия материального и теплового балансов определяет наиболее оптимальные режимы управления.
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;
- обеспечивает рациональное использование тепло-энергетических ресурсов, варьируя их величиной в зависимости от характеристик высушиваемого дисперсного материала и хода процесса, и тем самым снизить затраты на единицу массы высушенного дисперсного материала;