Способ автоматического управления процессом сушки

 

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при автоматизации сушки термолабильных продуктов, например зерна и макаронных изделий. В способе автоматического управления процессом сушки, предусматривающем предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента с последующим осушением и охлаждением его в испарителе и нагревании в конденсаторе теплонасосной установки и подачей в сушилку с образованием замкнутого цикла со сбросом излишней части отработанного сушильного агента или его подпиткой свежим, путем воздействия на расход пара в калорифер и мощность привода вентилятора и стабилизации конечной влажности продукта, а также измерения температур сушильного агента после испарителя и перед конденсатором, по которым устанавливают заданную хладопроизводительность теплонасосной установки воздействием на мощность привода компрессора, сушку продукта осуществляют в двух зонах сушки с промежуточным охлаждением в теплообменнике, причем одну часть осушенного и охлажденного сушильного агента в испарителе теплонасосной установки подают на промежуточное охлаждение продукта в теплообменнике и затем направляют в замкнутый цикл после предварительного подогрева влажного продукта, а другую часть направляют в конденсатор теплонасосной установки и далее в заданном соотношении подают на вход первой и второй зон сушки, дополнительно измеряют температуру продукта после промежуточного охлаждения в теплообменнике, по которой осуществляют воздействие на соотношение расходов осушенного и охлажденного сушильного агента, подаваемого на промежуточное охлаждение в теплообменник и направляемого в конденсатор теплонасосной установки, а по измеренным значениям влажности продукта на выходе из зон сушки воздействуют на соотношение расходов сушильного агента, подаваемого после конденсатора теплонасосной установки в эти зоны, при этом его излишнюю часть используют для регенерации секции испарителя. Изобретение позволяет снизить удельные энергозатраты и повысить качество высушенного продукта. 1 ил.

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при автоматизации сушки термолабильных продуктов, например зерна и макаронных изделий.

Известен способ автоматического управления процессом сушки (патент RU 2117228, F 26 В 25/22, БИ 22, 1998), в котором разделяют поток отработанного сушильного агента на основной, который после предварительного нагрева влажного продукта подают сначала на осушение в испаритель и затем в конденсатор теплонасосной установки, далее направляют в линию смешения сушильного агента, поступающего по дополнительному потоку, и свежего сушильного агента, подаваемого на подпитку, после чего направляют в сушилку, образуя замкнутый цикл основного потока, дополнительно измеряют температуру сушильного агента перед испарителем, температуру сушильного агента после испарителя, температуру хладагента на входе в испаритель, по измеренным значениям расходов, температуры и влажности исходного продукта устанавливают расход и температуру сушильного агента на входе в сушилку, причем температуру сушильного агента на входе в сушилку корректируют по температуре сушильного агента перед калорифером воздействием на расход пара в калорифер, а расход сушильного агента на входе в сушилку корректируют путем воздействия на расход свежего сушильного агента, подаваемого на подпитку, по текущему значению расхода и влагосодержания сушильного агента перед испарителем определяют поток влаги, подаваемый на испаритель, сравнивают его с максимально возможным значением потоком влаги, и если поток влаги больше максимально возможного значения, то осуществляют выброс излишней влаги с частью отработанного сушильного агента.

Однако известный способ не позволяет осуществлять сушку в осцилирующих режимах, т.е. проводить сушку с чередованием процессов нагрева и охлаждения. Кроме этого в способе не предусмотрена регенерация секции испарителя теплонасосной установки, работающей в режиме размораживания (оттайки) частью отработанного сушильного агента, а также использование осушенного и охлажденного сушильного агента в испарителе для промежуточного охлаждения высушиваемого продукта. Этот способ не решает существенного улучшения качества высушиваемого термолабильного продукта (чередование сушки и охлаждения для некоторых термолабильных продуктов, например зерна, является эффективным средством влагоудаления) (А. С. Гинзбург. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985. - 336 с.).

Технической задачей изобретения является снижение удельных энергозатрат и повышение качества высушенного продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки, предусматривающем предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента с последующим осушением и охлаждением его в испарителе и нагревании в конденсаторе теплонасосной установки и подачей в сушилку с образованием замкнутого цикла со сбросом излишней части отработанного сушильного агента или его подпиткой свежим, путем воздействия на расход пара в калорифер и мощность привода вентилятора и стабилизации конечной влажности продукта, а также измерения температур сушильного агента после испарителя и перед конденсатором, по которым устанавливают заданную хладопроизводительность теплонасосной установки воздействием на мощность привода компрессора, новым является, то что сушку продукта осуществляют в двух зонах сушки с промежуточным охлаждением в теплообменнике, причем одну часть осушенного и охлажденного сушильного агента в испарителе теплонасосной установки подают на промежуточное охлаждение продукта в теплообменнике и затем направляют в замкнутый цикл после предварительного подогрева влажного продукта, а другую часть направляют в конденсатор теплонасосной установки и далее в заданном соотношении подают на вход первой и второй зон сушки, дополнительно измеряют температуру продукта после промежуточного охлаждения в теплообменнике, по которой осуществляют воздействие на соотношение расходов осушенного и охлажденного сушильного агента, подаваемого на промежуточное охлаждение в теплообменник и направляемого в конденсатор теплонасосной установки, а по измеренным значениям влажности продукта на выходе из зон сушки воздействуют на соотношение расходов сушильного агента, подаваемого после конденсатора теплонасосной установки в эти зоны, при этом его излишнюю часть используют для регенерации секции испарителя.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления.

Схема содержит первую 1 и вторую 2 зоны сушки; теплообменник 3 для промежуточного охлаждения продукта; камеру нагрева 4; калориферы 5, 6; вентилятор 7; компрессор теплонасосной установки 8; испаритель с секциями 9, 10; конденсатор 11; терморегулирующий вентиль 12; линии подачи влажного продукта в первую зону сушки 13, отвода высушенного продукта из первой зоны сушки в теплообменник 14, подачи продукта из теплообменника 3 во вторую зону сушки 15, отвода высушеного продукта из второй зоны сушки 16, рециркуляции сушильного агента 17, подачи осушенного и охлажденного сушильного агента в конденсатор теплонасосной установки 18 и в теплообменник 19, отвода сушильного агента из теплообменника в замкнутый цикл 20, подачи греющего пара в калориферы 21, 23, отвода конденсата 22, 24, подачи сушильного агента в первую зону сушки 25, подачи сушильного агента во вторую зону сушки 26, рециркуляции хладагента в теплонасосной установке 27, подключения резервной секции испарителя в контур рециркуляции теплонасосной установки 28, 29, сброса отработанного сушильного агента 30, подпитки сушильного агента свежим 31; датчики расхода продукта 32, температуры продукта 33, 35, 38, температуры сушильного агента 36, 40, 42, 45, 47, температура хладагента на входе в испаритель 44, влажности продукта 34, 37, 39, влагосодержания сушильного агента 43, 48, расхода сушильного агента 41, 49; исполнительные механизмы 50-67; микропроцессор 68; (а, б, в, г, д, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р, с - входные каналы управления; А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, 3, И, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У - выходные каналы управления).

Способ осуществляется следующим образом.

Влажный продукт последовательно подают сначала в теплообменник 4, где он нагревается за счет тепла отработанного сушильного агента, затем в первую зону сушки 1, где его температуру доводят до предельно допустимого максимального значения, далее направляют на промежуточное охлаждение в теплообменник 3 и потом на окончательную досушку во вторую зону сушки 2. Отработанный сушильный агент после первой и второй зоны сушки направляют на осушение и охлаждение в испаритель 9 теплонасосной установки. Часть осушенного и охлажденного сушильного агента после испарителя 9 подают сначала на конденсатор 11, а затем в первую 1 и вторую 2 зоны сушки, другую его часть - в теплообменник 3 для промежуточного охлаждения продукта после первой зоны сушки 1 с последующим возвратом в замкнутый цикл 17 по линии 20.

По информации датчиков о текущих значениях расхода, температуры, влажности 32, 33, 34 микропроцессор 68 непрерывно определяет тепловой и массовый потоки продукта после предварительного подогрева продукта в теплообменнике 4, в соответствии с которыми устанавливает температуру сушильного агента, подаваемого в первую зону сушки 1, воздействием на расход пара в калорифер 5 посредством-исполнительного механизма 62 и расход сушильного агента посредством исполнительного механизма 65.

Температуру продукта на выходе из первой зоны сушки 1, измеряемой датчиком 35, поддерживают на предельно допустимом максимальном значении, обусловленном качеством продукта, в соответствие с которым микропроцессор 68 воздействует на соотношение расходов сушильного агента после испарителя теплонасосной установки, подаваемого в теплообменник 3 на промежуточное охлаждение продукта по линии 19, и на конденсатор 11 теплонасосной установки по линии 18.

По текущему значению температуры продукта после промежуточного охлаждения, измеряемого датчиком 38 в линии 15, микропроцессор 68 устанавливает температуру сушильного агента во вторую зону сушки путем воздействия на расход греющего пара в калорифер 6 посредством исполнительного механизма 63 и расход сушильного агента во вторую зону сушки с помощью исполнительного механизма 64. По измеренным текущим значениям влажности продукта после первой и второй зон сушки с помощью датчиков 37, 39 микропроцессор корректирует соотношение расходов сушильного агента, подаваемого в эти зоны, путем воздействия на исполнительные механизмы 63, 64, при этом сохраняя общий расход сушильного агента на процесс сушки воздействием на регулируемый привод вентилятора 7 посредством исполнительного механизма 65.

По расходу, температуре, влажности отработанного сушильного агента в линии 17, измеряемых датчиками 41, 42, 43, микропроцессор устанавливает заданную холодопроизводительность теплонасосной установки путем воздействия на мощность привода компрессора 8 посредством исполнительного механизма 66. При "жестких" режимах тепловой обработки высоковлажого продукта в зоне сушки 1 велика вероятность образования избытка влаги в линии рециркуляции 17, которая не может быть скоденсирована в испарителе 9 в силу ограничений по холодопроизводительности теплонасосной установки. Поэтому микропроцессор непрерывно определяет излишнюю часть испарившейся из продукта влаги в отработанном сушильном агенте и направляет ее на регенерацию секции 10 испарителя теплонасосной установки, работающей в режиме регенерации, осуществляя синхронизированную работу исполнительных механизмов 50, 51.

Процесс конденсации влаги, содержащейся в сушильном агенте, сопровождается образованием "снежной шубы" на охлаждающем элементе испарителя, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи от хладогента к сушильному агенту через стенку охлаждающего элемента при нарастающей по ходу процесса сушки толщины "снежной шубы" и как следствие снижает интенсивность осушения сушильного агента. По информации датчиков 41, 42, 44, 45 микропроцессор непрерывно вычисляет текущее значение коэффициента теплопередачи по формуле где Q=V•c_ср•р_ср•(t₁-t₂) - количество тепла подаваемое сушильным агентом в испаритель теплонасосной установки, кДж/ч; V - объемный расход сушильного агента, м³/ч; с_ср, p_сp - средние значение теплоемкости, кДж/кг•К, и плотности сушильного агента, кг/м³; F - площадь поверхности охлаждающего элемента испарителя, м²; - средне логарифмический температурный напор, ^oC; t₁, t₂ - температура сушильного агента соответственно на входе и выходе из испарителя, ^oС; t₃ - температура хладагента на входе в испаритель, ^oС;
и вырабатывает сигнал отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного интервала значений, по которому корректирует соотношение расходов "сушильный агент - хладагент" путем изменения расхода хладагента в линии рециркуляции 17 воздействием на мощность привода компрессора 8 с помощью исполнительного механизма 66. При отклонении текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного в сторону уменьшения микропроцессор увеличивает холодопроизводительность теплонасосной установки. Если увеличение холодопроизводительности (расхода хладагента в линии 17) не позволяет вывести текущее значение коэффициента теплопередачи на заданный интервал значений, то микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя на регенерацию и подключает резервную секцию 10 посредством исполнительных механизмов 52-57.

При конденсации влаги из отработанного сушильного агента, при его осушении неизбежно увеличение "снеговой шубы" на охлаждающей поверхности рабочей секции 9 испарителя, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и как следствие к снижению интенсивности процесса осушения сушильного агента. Для получения заданного значения влагосодержания сушильного агента на выходе из испарителя увеличивают расход хладагента в испарителе путем увеличения мощности привода компрессора 8. В этом случае увеличивается тепловая нагрузка на конденсатор 11 за счет увеличения расхода хладагента в линии рециркуляции 17, что приводит к увеличению температуры сушильного агента на выходе из конденсатора 11 и, следовательно, к меньшим затратам тепла на его подогрев в калориферах 5, 6.

По температуре сушильного агента после конденсатора в линии 18, измеренной датчиком 47, микропроцессор с помощью исполнительных механизмов 62, 63 устанавливает расход греющего пара в калориферы 5, 6 по линиям 21 и 23, обеспечивающих требуемый температурный режим в соответствующих зонах сушки с коррекцией по температуре сушильного агента после калориферов 5, 6 непосредственно на входе в зоны сушки 1 и 2, измеряемой датчиками 36, 40.

В процессе сушки микропроцессор осуществляет непрерывное слежение за влажностью высушенного продукта с помощью датчиков 37, 39. При отклонении текущего значения влажности высушенного продукта от заданного, что объясняется возможными случайными возмущениями либо из-за технологических сбоев, связанных с подсосами в тракте подачи продукта на сушку в линиях 13, 14, 15, а также в линии рециркуляции сушильного агента 17, микропроцессор 68 осуществляет воздействие на регулируемый привод компрессора теплонасоосной установки, тем самым поддерживая влагосодержание сушильного агента на выходе из рабочей секции 9 испарителя в заданном интервале значений.

Возможные потери сушильного агента в линии рециркуляции 17 неизбежно приводят к нарушению режима подачи сушильного агента на входе в сушилку и как правило к снижению его расхода. По величине рассогласования текущей величины расхода сушильного агента, измеряемой датчиком 49, с заданной микропроцессор корректирует задание локальному регулятору и увеличивает мощность регулируемого привода вентилятора 7 посредством исполнительного механизма 66. Если увеличение мощности привода вентилятора не обеспечивает необходимого расхода сушильного агента, что свидетельствует о его потерях, то микропроцессор осуществляет подпитку сушильного агента в линии рециркуляции 17 свежим по линии 31.

При увеличении влагосодержания отработанного сушильного агента, что может быть вызвано внезапным увеличением влажности исходного продукта, подаваемого на сушку, микропроцессор определяет излишнию часть влаги в отработанном сушильном агенте и устанавливает посредством исполнительных механизмов 50, 51 соотношение расходов отработанного сушильного агента, подаваемого на рабочую секцию 9 испарителя и резервную секцию 10, работающую в режиме регенерации. При этом резервная секция 10 отключается из контура рециркуляции теплонасосной установки 27 посредством исполнительных механизмов 56, 57, а рабочая секция подключается посредством исполнительных механизмов 52, 53. При этом все исполнительные механизмы работают синхронизировано.

При размораживании (оттайки) охлаждающей поверхности резервной секции 10 сброс отработанного сушильного агента и образовавшейся воды из секции 10 осуществляется по линии 30 посредством исполнительного механизма 55.

Микропроцессор непрерывно определяет влагосодержание сушильного агента на выходе из конденсатора 11 теплонасосной установки с помощью датчика 48 и вырабатывает сигнал отклонения текущего значения от заданного, по которому корректируют соотношение расходов отработанного сушильного агента, подаваемого на регенерацию секции 10 испарителя, и свежего сушильного агента, подаваемого по линии 31, воздействием на расход последнего.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере шахтной прямоточной зерносушилки ДСП-32. В соответствии с технологическим регламентом по сушке зерна и эксплуатации зерносушилок алгоритм функционирования шахтных прямоточных зерносушилок с двухступенчатым режимом, характерным для сушилок ДСП-32 при сушке зерна пшеницы продовольственного назначения, сформулирован следующим образом: обеспечить снижение влажности с начальной W_H - 20...23% до конечной W_K - 14...16% при максимально допустимой температуре нагрева зерна для пшеницы с нормальной клейковиной 323К путем изменения температуры сушильного агента, не превышающей в первой ступени 403К, во второй - 423К.

При типовом алгоритме функционирования управляющими параметрами в известном способе являются соответственно температура и расход сушильного агента в первой и второй зонах, и расход зерна, подаваемого в сушку.

Расходы сушильного агента по зонам обычно стабильны, т.е. определяются максимально допустимой скоростью фильтрации в подвижном слое зерна для данной конструкции сушилки.

Пределы регулирования температуры, расхода и влагосодержания воздуха на входе в сушилку по предлагаемому способу обоснованы в литературе (Жидко В.И. , Резчиков В.А., Уколов B.C. Зерносушение и зерносушилки. - М.: Колос, 1982. - 239 с. ), для первой ступени они составляют: 403±1К; 28...30•10³ м³/ч; 0,011-0,025 кг/кг, для второй зоны соответственно составляет: 433±1 К; 21... 23•10³ м³/ч. При этом за время 0,36 ч при производительности сушилки 32 т/ч достигается комнатная влажность зерна 14...16%.

Для подготовки отработанного к последующей сушке в линии рециркуляции сушильного агента установлена теплонасосная установка со следующими техническими данными:
Холодопроизводительность, кВт - 30-40
Хладагент (фреон 12) - R12
Температура хладагента на входе в испаритель, К - 263-273
Тип компрессора - Поршневой одноступенчатый
Площадь охлаждающей поверхности, м² - 68,9
Допустимая толщина снеговой шубы, мм - 16±0,5
Допустимые пределы измерения коэффициента теплопередачи, Вт/м - 5,8-8,0
Особенность предлагаемого алгоритма функционирования заключается в разделение потока охлажденного и осушенного сушильного агента в рабочей секции 9 испарителя теплонасосной установки на поток, подаваемый на охлаждение зерна после первой зоны сушки в теплообменник 3 по линии 19, и поток, направляемый в конденсатор 11 теплонасосной установки по линии 18, где за счет тепла конденсата хладагента происходит его нагревание, например, до температуры 340±1К. В теплообменнике 3 сушильный агент поступает с температурой, например, 308±1К, в результате чего продукт на входе во вторую зону сушки 2 охлаждается с 323±1 до 313±1К, что позволяет увеличить температурный режим во второй зоне сушки 2. В отличии от прототипа он составляет 433±1К.

Работа теплонасосной установки позволит снизить температуру отработанного сушильного агента в испарителе, например, с 313±1...318±1 до 278±1... 283±1К, что позволит охладить продукт в теплообменнике 3 после 1 зоны сушки, например, с 323±1 до 313±1К.

С целью недопустимости технологических сбоев, связанных с превышением нагрузок на рабочую секцию 9 испарителя выше номинальных, обусловленных внезапным увеличением потока влаги с отработанным сушильным агентом, микропроцессор отводит излишнюю влагу с отработанным сушильным агентом в секцию 10 испарителя, работающую в режиме регенерации. В этом случае нет необходимости в поиске дополнительных энергоносителей для оттайки регенерируемой секции 10, что создает условия для существенной экономии вторичного тепла.

Обеспечивая подержание температуры охлажденного и осушенного сушильного агента после рабочей секции 9 испарителя, не всегда представляется возможным обеспечить стабилизацию его влагосодержания. Поэтому предлагается стабилизировать влагосодержание сушильного агента на входе в 1 и 2 зоны сушки путем воздействия на расходы свежего сушильного агента в линии подпитки 31 и в линии его отвода на регенерацию в секцию 10 испарителя. Таким образом, снижая поток влаги с отработанным сушильным агентом на рабочую секцию 9 испарителя, путем подпитки свежим сушильным агентом и сброса излишней влаги с сушильным агентом на регенерацию секции 10 испарителя, обеспечивается не только его охлаждение, но и эффективное осушение до влагосодержания заданного значения, например 0,005...0,006 кг/кг.

Температура зерна после теплообменника 3 составляет, например, 308±1... 313±1К. Это обстоятельство позволяет увеличить температурный режим во второй зоне сушки. При этом на входе во вторую зону сушки снижается скорость движения сушильного агента, например, 21...23 м³/ч и увеличивается его температура, например, до 473±1К.

В результате обеспечивается интенсификация процесса сушки по зонам с минимальным удельными энергозатратами и при высоком качестве готового продукта.

При отсутствии случайных возмущений, обусловленных возможными колебаниями начальной влажности исходного продукта, резким изменением темпа подачи его на сушку, технологическими сбоями в работе оборудования, подсосами в линии рециркуляции сушильного агента и др., процесс сушки осуществляется в режиме полного замкнутого цикла без выброса части отработанного воздуха. При этом исключается необходимость в подпитке отработанного сушильного агента свежим воздухом. Наличие же случайных возмущений немедленно отразится прежде всего на текущей величине влажности высушенного зерна. При отклонении текущего значения влажности высушенного зерна от заданного значения в сторону увеличения, например, на 3,5% микропроцессор устанавливает заданное соотношение расходов сушильного агента, подаваемого в первую и вторую зоны сушки, например увеличение расхода в первую зону до 30±1 м³/ч и уменьшение расхода во вторую зону сушки до 21±1 м³/ч, а при отклонении заданного значения в сторону уменьшения подают в первую зону 28±1 м³/ч и увеличивают во вторую зону сушки до 23±1 м³/ч.

Таким образом, предлагаем способ автоматического управления по сравнению с базовым имеет ряд преимуществ:
- позволяет реализовать ступенчатую сушку чередованием процессов нагрева и охлаждения продукта,
- обеспечивает использование отработанного сушильного агента после испарителя теплонасосной установки для предварительного охлаждения продукта,
- создает условия для повышения качества высушиваемого продукта за счет строгого выполнения ограничений по качеству, устанавливая однозначную связь между влажностью и температурой продукта,
- позволяет вести сушку в области стандартных физико-химических свойств продукта с возможностью управления технологическими параметрами теплонасосной установки и процессом сушки в условиях случайных возмущений как со стороны внешней среды, так и со стороны возможного изменения состава продукта, в первую очередь его влажности,
- снижает удельные энергозатраты на 1,5% за счет рационального использования вторичных энергоресурсов, в частности за счет тепла отработанного сушильного агента осуществляется регенерация секции испарителя.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом сушки, предусматривающий предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента с последующим осушением и охлаждением его в испарителе и нагревании в конденсаторе теплонасосной установки и подачей в сушилку с образованием замкнутого цикла со сбросом излишней части отработанного сушильного агента или его подпиткой свежим, путем воздействия на расход пара в калорифер и мощность привода вентилятора и стабилизации конечной влажности продукта, а также измерения температур сушильного агента после испарителя и перед конденсатором, по которым устанавливают заданную хладопроизводительность теплонасосной установки воздействием на мощность привода компрессора, отличающийся тем, что сушку продукта осуществляют в двух зонах сушки с промежуточным охлаждением в теплообменнике, причем одну часть осушенного и охлажденного сушильного агента в испарителе теплонасосной установки подают на промежуточное охлаждение продукта в теплообменник и затем направляют в замкнутый цикл после предварительного подогрева влажного продукта, а другую часть направляют в конденсатор теплонасосной установки и далее в заданном соотношении подают на вход первой и второй зон сушки, дополнительно измеряют температуру продукта после промежуточного охлаждения в теплообменнике, по которой осуществляют воздействие на соотношение расходов осушенного и охлажденного сушильного агента, подаваемого на промежуточное охлаждение в теплообменник, и направляемого в конденсатор теплонасосной установки, а по измеренным значениям влажности продукта на выходе из зон сушки воздействуют на соотношение расходов сушильного агента, подаваемого после конденсатора теплонасосной установки в эти зоны, при этом его излишнюю часть используют для регенерации секции испарителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1