Способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в шахтной сушилке с использованием свч-энергии

Изобретение относится способам автоматического управления процессами сушки дисперсных материалов в аппаратах, использующих СВЧ-энергию, и может быть использовано в пищевой, химической и смежных с ними отраслях промышленности. В способе автоматического управления, предусматривающем измерение расхода, влажности и температуры исходного материала, поступающего в сушилку, расхода и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода сушильного агента до и после сушки, новым является то, что сушку осуществляют в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии, информация с датчиков, измеряющих расход, влажность и температуру исходного материала, поступающего в сушилку, расход и влажность высушенного материала, влагосодержание, температуру и расход сушильного агента до и после сушки, подается на микропроцессор, который устанавливает задание на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительных механизмов калорифера, вентилятора и магнетронов, дополнительно применяются датчики, измеряющие потребляемую мощность вентилятора, калорифера и магнетронов, информация с которых подается на микропроцессор, который непрерывно определяет знак производной функции суммарной стоимости энергетических и материальных затрат на единицу массы высушиваемого материала, и если знак положительный, то уменьшает расход исходного материала, если знак отрицательный, то увеличивает. Кроме того, коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют на двух уровнях, при этом на первом уровне при отклонении текущего значения потока влаги, испаряемой в сушилке, от заданного воздействуют на температуру и расход подводимого потока сушильного агента, а на втором уровне, если изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, воздействуют на напряжение в сети питания магнетронов. Изобретение должно обеспечить повышение качества готового продукта, повышение точности и надежности управления, снижение удельных энергозатрат. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике сушки, а именно к способам автоматического управления процессами сушки дисперсных материалов в аппаратах, использующих СВЧ-энергию, и может быть использовано в пищевой, химической и смежных с ними отраслях промышленности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления процессом сушки путем изменения подачи исходного материала и теплоносителя по управляющему сигналу, характеризующему конечную влажность материала и температуру отработанного теплоносителя [патент RU №2239138, F26В 25/22, 27.10.2004].

Известный способ имеет ряд существенных недостатков:

- длительность проведения процесса сушки;

- большая инерционность системы, т.е. низкая точность и надежность управления процессом сушки из-за случайных возмущений со стороны работы оборудования;

- невозможность оптимального управления процессом сушки;

- нерациональное использование тепло-энергетического и материального потенциалов.

Технической задачей изобретения является повышение качества готового продукта, повышение точности и надежности управления, снижение удельных энергозатрат.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии, предусматривающем измерение расхода, влажности и температуры исходного материала, поступающего в сушилку, расхода и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода сушильного агента до и после сушки, новым является то, что сушку осуществляют в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии, информация с датчиков, измеряющих расход, влажность и температуру исходного материала, поступающего в сушилку, расход и влажность высушенного материала, влагосодержание, температуру и расход сушильного агента до и после сушки, подается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от количества влаги и тепла, содержащихся в исходном и готовом продуктах, устанавливает задание на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительных механизмов калорифера, вентилятора и магнетронов с целью обеспечения заданных параметров высушиваемого продукта; дополнительно применяются датчики, измеряющие потребляемую мощность вентилятора, калорифера и магнетронов, информация с которых подается на микропроцессор, который непрерывно определяет знак производной функции суммарной стоимости энергетических и материальных затрат на единицу массы высушиваемого материала, и если знак положительный, то уменьшает расход исходного материала, если знак отрицательный, то увеличивает.

Оптимальный расход исходного сырья определяется минимизацией функции стоимости удельных энергетических и материальных затрат, которую представляем в виде

где ∑З - сумма всех затрат в стоимостном выражении, руб./ч;

З₁ - энергетические затраты, руб./ч;

З₂ - материальные затраты, руб./ч;

G_матер - массовый расход высушиваемого материала, кг/ч.

Суммарные энергетические затраты определяют по формуле

где N_пр - суммарная мощность приводов вентиляторов, кВт;

N_магн - суммарная мощность магнетронов, кВт;

Ц_эл - цена единицы электроэнергии, руб./(кВт·ч);

G_гр.аг - расход греющего агента на обогрев калориферов, кг/ч;

Ц_гр.аг - цена единицы греющего агента, руб./кг,

G_и.п - расход исходного продукта, поступающего на сушку, кг/ч;

Ц_и.п - цена единицы исходного продукта, руб./кг.

Кроме того, коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют на двух уровнях, при этом на первом уровне при отклонении текущего значения потока влаги, испаряемой в сушилке, от заданного воздействуют на температуру и расход подводимого потока сушильного агента, а на втором уровне, если изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, воздействуют на напряжение в сети питания магнетронов.

Технический результат заключается в интенсификации процесса сушки, повышении качества готовой продукции, точности и надежности управления процессом сушки, снижении тепло-энергетических и материальных затрат на единицу массы готового продукта.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки.

Схема содержит шахтную сушилку 1, имеющую четыре магнетрона 2, являющихся источниками СВЧ-энергии, вентилятор 3 для подачи сушильного агента; калорифер 4; бункер 5; циклон-разгрузитель 6; инжектор 7; линии подачи исходного влажного материала 8, отвода высушенного материала 9, подвода потока сушильного агента в сушилку 10, отвода отработанного сушильного агента 11; датчик влажности 12 измеряющий поток влаги, испаряемой в сушильной камере; датчики влажности 13 и 14 соответственно исходного и высушенного материалов; датчики расхода 15, 16 и 17 соответственно общего потока воздуха, теплоносителя, поступающего в сушильную камеру, и отработанного сушильного агента; датчики расхода 18 и 19 исходного и высушенного материалов соответственно; датчики влагосодержания теплоносителя 20 и 21 соответственно подаваемого в сушильную камеру и отработанного теплоносителя; датчики температуры теплоносителя 22, 23 и 24 соответственно до калорифера, после калорифера и отработанного, 25 исходного влажного материала; датчики потребляемой мощности вентилятора 26, калорифера 27 и магнетронов 28; исполнительные механизмы 29-34 (а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р - входные каналы управления; d, i, g, j, l, q - выходные каналы управления); микропроцессор 35.

Способ осуществляется следующим образом.

Информация о влажности, температуре и расходе исходного материала в линии 8 с помощью датчиков 13, 25, 18 передается в микропроцессор 35, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от количества влаги и тепла, содержащихся в исходном влажном продукте, подаваемом на сушку, устанавливает задание на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительного механизма 33 калорифера 4, исполнительного механизма 31, регулирующего привод вентилятора 3, и исполнительного механизма 34 магнетронов 2, регулирующих напряжение электрического тока питания магнетронов.

Количество влаги, поступающей с исходным продуктом, определяется микропроцессором 35, исходя из информации о расходе и влажности исходного материала, поступающей с датчиков 18 и 13, установленных на линии 8 подачи исходного материала по формуле

где - количество влаги, поступающей с исходным продуктом, кг/ч;

G_м - количество материала, поступающего в сушилку, кг/ч;

- влажность материала, поступающего в сушилку, %.

В ходе процесса сушки дисперсного материала с помощью оперативной информации с датчиков влажности исходного материала 13 и высушиваемого 12 измеряют текущее значение влажности исходного и высушиваемого продуктов, по которому осуществляют коррекцию режима управления процессом сушки по двум уровням. 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.

Первый уровень. При отклонении текущего значения потока влаги, испаряемой в какой-либо зоне сушилки, от заданного микропроцессор 35 вычисляет необходимое изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента и осуществляет его коррекцию посредством исполнительных механизмов 31, 32 и 33, установленных в линии 10.

Количество влаги, которое необходимо удалить в процессе сушки, микропроцессор 35 определяет с помощью уравнения

где G_в - количество влаги, которую необходимо удалить в процессе сушки, кг/ч;

G_м - количество материала, поступающего в сушилку, кг/ч;

и влажность поступающего в сушилку материала и готового продукта, выходящего из сушилки, %.

Количество влаги, испаряемой в сушилке, микропроцессор 35 определяет по формуле

где ρ - плотность воздуха, кг/м³;

X_вх, Х_вых - влагосодержание воздуха на входе и выходе из секции сушилки, кг/кг;

L - расход воздуха, подаваемого на сушку, м³/ч.

Сигналы, пропорциональные влажности теплоносителя на входе и выходе аппарата, поступают соответственно с датчиков 20 и 21 на микропроцессор 35. Сюда же поступают сигнал, пропорциональный подаче теплоносителя, с расходомеров 15 и 16 и сигнал, пропорциональный влажности исходного материала, с датчика 13. Микропроцессор 35 вырабатывает корректирующий сигнал, пропорциональный

где L - расход теплоносителя м³/ч;

и - влажность теплоносителя на входе и выходе из сушилки, %;

и - влажность материала на входе и на выходе из сушилки соответственно, %.

При этом является величиной постоянной, характеризующей качество готового продукта.

Если изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, то коррекцию режима управления осуществляют по второму уровню.

Второй уровень управления предусматривает достижение заданной влажности материала путем воздействия на напряжение электрической сети питания магнетронов 2 с целью изменения мощности СВЧ-излучения и осуществляется с помощью исполнительного механизма 34, изменяющего напряжение питания.

Информация о расходе материально-энергетических ресурсов, фиксируемая с помощью датчиков 12-28, передается в микропроцессор 35, который непрерывно определяет знак производной функции суммарной стоимости энергетических и материальных затрат на единицу массы высушиваемого материала, массовый расход которого измеряется датчиком 19, установленным в линии 9. Если знак положительный, то микропроцессор 35 уменьшает расход исходного материала, если знак отрицательный, то увеличивает.

Предлагаемый способ может быть реализован при сушке дисперсных материалов. В экспериментальной установке, сконструированной и изготовленной в Воронежской государственной технологической академии [патент №2255434 (Российская Федерация), МКИ Н05В 6/64, №2003123579/09. Опубл. 10.06.2004, бюл. №18; «Исследование закономерностей процесса сушки семян кориандра с использованием СВЧ-энергоподвода», Материалы XLII отчетной конференции за 2003 год: В 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2004. Ч.2. С.34-35], были получены режимные параметры процесса сушки кориандра. В экспериментальной установке сушка кориандра осуществляется в шахтной сушилке с использованием СВЧ-излучения с целью интенсификации процесса.

Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки дисперсного материала в шахтной сушилке с использованием СВЧ-излучения имеет следующие преимущества:

- позволяет повысить точность и надежность управления в наиболее оптимальных диапазонах изменения параметров режима работы сушилки;

- значительно снижается инерционность управления, т.е. уменьшается интервал времени с момента получения информации о ходе процесса сушки до подачи управляющего воздействия на исполнительные механизмы регулирования;

- позволяет получить готовый продукт высокого качества за счет оптимизации режимных параметров процесса сушки дисперсного материала в сушилке с комбинированным энергоподводом;

- обеспечивает снижение тепло-энергетических и материальных затрат на единицу массы готового материала;

- обеспечивает рациональное использование тепло-энергетических ресурсов, варьируя их величиной в зависимости от характеристик высушиваемого материала и хода процесса.

Способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии, предусматривающий измерение расхода, влажности и температуры исходного материала, поступающего в сушилку, расхода и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода сушильного агента до и после сушки, отличающийся тем, что сушку осуществляют в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии от магнетронов, информация с датчиков, измеряющих расход, влажность и температуру исходного материала, поступающего в сушилку, расход и влажность высушенного материала, влагосодержание, температуру и расход сушильного агента до и после сушки, подается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от количества влаги и тепла, содержащихся в исходном и готовом продукте, устанавливает задание на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительных механизмов калорифера, вентилятора и магнетронов с целью обеспечения заданных параметров высушиваемого продукта, дополнительно применяются датчики, измеряющие потребляемую мощность вентилятора, калорифера и магнетронов, информация с которых подается на микропроцессор, который непрерывно определяет знак производной функции суммарной стоимости энергетических и материальных затрат на единицу массы высушиваемого материала и, если знак положительный, то уменьшает расход исходного материала, если знак отрицательный, то увеличивает, оптимальный расход исходного сырья определяется минимизацией функции стоимости удельных энергетических и материальных затрат, которую представляют в виде

где ΣЗ - сумма всех затрат в стоимостном выражении, руб./ч;

З₁ - энергетические затраты, руб./ч;

З₂ - материальные затраты, руб./ч;

G_матер - массовый расход высушиваемого материала, кг/ч,

суммарные энергетические затраты определяют по формуле:

где N_пр - суммарная мощность приводов вентиляторов, кВт;

N_магн - суммарная мощность магнетронов, кВт;

Ц_эл - цена единицы электроэнергии, руб./(кВт·ч);

G_гр.аг - расход греющего агента на обогрев калориферов, кг/ч;

Ц_гр.аг - цена единицы греющего агента, руб./кг,

G_и.п - расход исходного продукта, поступающего на сушку, кг/ч;

Ц_и.п - цена единицы исходного продукта, руб./кг,

при этом коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют на двух уровнях, на первом уровне при отклонении текущего значения потока влаги, испаряемой в сушилке, от заданного воздействуют на температуру и расход подводимого потока сушильного агента, а на втором уровне, если изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, воздействуют на напряжение в сети питания магнетронов.