СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ Российский патент 1998 года по МПК F26B25/22 

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

Известен способ автоматического управления процессом сушки [1], в котором производят подпитку свежего сушильного агента паром, находят соотношение влагосодержания сушильного агента и продукта на выходе из сушилки и по нему осуществляют коррекцию количества подводимого тепла.

Однако известный способ не предусматривает использования тепла отработанного сушильного агента и не может обеспечить существенного снижения удельных энергозатрат, повысить термический КПД процесса (η = Q_д/Q_кл, где Q_д - тепло, отданное сушильным агентом для сушки продукта, Q_кл - тепло, затраченное в калорифере на нагрев сушильного агента), создать перспективу экологически чистой технологии сушки.

Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического управления процессом сушки сыпучего продукта [2], в котором разделяют поток отработанного сушильного агента на основной, который подают на предварительный подогрев влажного продукта, и дополнительный, который смешивают со свежим сушильным агентом, осуществляют выравнивание начальной влажности продукта за счет частичной рециркуляции высушенного продукта и при отклонении измеренного значения влажности высушенного продукта от заданного воздействуют на расход греющего пара в калорифер, мощность привода вентилятора и влагосодержание сушильного агента путем изменение соотношения расходов сушильного агента по основному и дополнительному потокам.

Известный способ имеет ряд существенных недостатков:
1. Не позволяет обеспечить получение высушенного продукта высокого качества из-за невозможности мгновенного выравнивания температуры и влажности исходной смеси рециркулирующего продукта с влажным. В общем случае исходная смесь состоит из набора компонентов, прошедших неодинаковое число раз через сушилку и имеющих различную влажность и температуру. Многократный возраст на сушку определенной доли продукта не может благоприятно отразиться на его качестве, так как одна часть продукта будет пересушена и перегрета, а другая недосушена.

2. Способ нельзя признать экологически чистым, поскольку весь отработанный сушильный агент выбрасывается в атмосферу.

3. Способ не позволяет обеспечить низкотемпературную сушку термолабильных продуктов с целью сохранения и улучшения качественных показателей.

4. Отсутствие кондиционирования (осушения) отработанных сушильного агента в режиме замкнутого цикла с использованием теплонасосной установки не позволяет повысить энергетическую эффективность процесса с точки зрения максимального использования и рекуперации тепла.

Технической задачей изобретения является повышение качества высушенного продукта, снижение удельных энергозатрат и повышение экологической эффективности процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки, предусматривающем разделение потока отработанного сушильного агента на основной, который подают на предварительный подогрев влажного продукта, и дополнительный, который смешивают со свежим агентом, а также измерение расхода влажного продукта, температуры, влагосодержания и расхода сушильного агента на входе в сушилку, влажности высушенного продукта с коррекцией управления используют теплонасосную установку и отработанный сушильный агент по основному потоку после последовательного 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 и влажность продукта на входе в сушилку, температуру сушильного агента перед калорифером, расход, температуру и влагосодержание сушильного агента перед испарителем, температуру сушильного агента после испарителя, температуру хладагента на входе в испаритель, по измеренным значениям расхода, температуры и влажности продукта на входе в сушилку 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 текущим значениям расхода и влагосодержания сушильного агента перед испарителем определяют поток влаги, подаваемой на испаритель, сравнивают его с максимально возможным значением потока влаги и, если поток влаги больше максимально возможного значения, осуществляют выброс излишней влаги с частью отработанного сушильного агента; по текущим значениям расхода сушильного агента по основному потоку, температуры сушильного агента до и после испарителя и температуры хладагента на входе в испаритель определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от сушильного агента к хладагенту и корректируют соотношение расходов хладагента и сушильного агента на входе в испаритель по коэффициенту теплопередачи путем воздействия на расход хладагента в испаритель, причем при достижении текущего значения коэффициента теплопередачи предельно минимального значения производят отключение рабочей секции испарителя теплонасосной установки на регенерацию с одновременным включением в работу резервной секции.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления. Схема содержит сушилку 1; калорифер 2; вентилятор 3; камеру нагрева 4; компрессор теплонасосной установки 5; конденсатор теплонасосной установки 6; терморегулирующий вентиль 7; испаритель теплонасосной установки 8; линии: подачи влажного продукта на сушку 9, отвода высушенного продукта 10, рециркуляции сушильного агента по основному и дополнительному потокам соответственно 11 и 12, подачи греющего пара в калорифер 13, отвода конденсата 14, сброса отработанного сушильного агента 15, подпитки осушенного сушильного агента свежим 16, рециркуляции хладагента теплонасосной установки 17; датчики: расхода и температуры влажного продукта соответственно 18 и 19, влажности влажного и высушенного продукта 20 и 21, температуры, расхода и влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку 22, 23 и 24, температуры сушильного агента перед калорифером теплонасосной установки 25, расхода, температуры и влагосодержания сушильного агента на входе в испаритель теплонасосной установки 26, 27 и 28, температуры сушильного агента на выходе из испарителя и хладагента на входе в испаритель 29 и 30 соответственно; вторичные приборы 31 - 41; локальные регуляторы 42 - 46; микропроцессор 47; исполнительные механизмы 48 - 54; (а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к - входные каналы управления; м, н, о, п, р, с, т, у - выходные каналы управления).

Способ осуществляется следующим образом.

Информация о влажности, температуре и расходе влажного продукта в линии 9 с помощью датчиков 20, 19, 18 и вторичных приборов 33, 32, 31 передается в микропроцессор 47, который по заложенному в него алгоритму в зависимости от количества влаги и тепла, содержащихся во влажном продукте, устанавливает задание локальным регуляторам 42 и 43 на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительного механизма 48 в линии подачи греющего пара 13 в калорифер 2, и исполнительного механизма 49 регулируемого привода вентилятора 3. Отработанный сушильный агент после предварительного подогрева влажного продукта в камере нагрева 4 подается по линии основного потока 11 сначала на осушение и охлаждение в испаритель теплонасосоной установки 8, затем в конденсатор 6 и далее направляется 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. В соответствии с технологическими возможностями испарителя теплонасосной установки по текущим значениям расхода и влагосодержания отработанного сушильного агента, измеряемых соответственно датчиками 26, 28 и вторичными приборами 37, 39, микропроцессор корректирует задание локальному регулятору 45 и посредством исполнительного механизма 54 устанавливает максимально возможный поток влаги с отработанным сушильным агентом, подаваемым на испаритель 8, а количество излишней влаги с частью отработанного сушильного агента сбрасывается по линии 15 с помощью исполнительного механизма 53. Работа исполнительных механизмов 53 и 54 синхронизирована. По информации датчиков 26 и 27 и вторичных приборов 37 и 38 микропроцессор определяет количество тепла, поступаемое с отработанным сушильным агентом в испаритель теплонасосной установки, в зависимости от которого устанавливает задание локальному регулятору 46 и посредством исполнительного механизма 52 регулируемого привода компрессора 5 воздействует на расход хладагента в линии рециркуляции 17, обеспечивая при этом необходимую хладопроизводительность теплонасосной установки. В установившемся режиме сушки микропроцессор обеспечивает заданное соотношение расходов сушильного агента в линии рециркуляции по основному потоку 11 и хладагента в линии рециркуляции 17. Хладагент, сжатый компрессором 5, конденсируется в конденсаторе 6 и дросселируется через терморегулирующий вентиль 7 до давления, при котором поступает в испаритель 8. Испарение хладагента за счет теплоты сушильного агента позволяет охладить последний ниже тройной точки росы и осушить вследствие выпадения содержащихся в нем паров влаги. Процесс конденсации влаги, содержащейся в сушильном агенте, сопровождается образованием "снежной шубы" на охлаждающем элементе испарителя, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи от хладагента 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 26, 27, 29, 30 и вторичных приборов 37, 38, 40, 41 микропроцессор непрерывно вычисляет текущее значение коэффициента теплопередачи по формуле:

где
Q = V•C_caρ_ca(t₁-t₂) - количество тепла, подаваемое сушильным агентом в испаритель теплонасосной установки, кДж/ч.; V - объемный расход сушильного агента, м³/ч. ; C_ca, ρ_ca - средние значения теплоемкости, кДж/кг•K, плотности, кг/м³, сушильного агента; F - площадь поверхности охлаждающего элемента испарителя, м²;
- среднелогарифмический температурный напор, ^oC;
t₁, t₂ - температура сушильного агента соответственно на входе и выходе из испарителя, ^oC; t₃ - температура хладагента на входе в испаритель, ^oC;
и вырабатывает сигнал отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного интервала значений, по которому корректирует задание локальному регулятору 46 и воздействует на соотношение расходов "сушильный агент-хладагент" путем изменения расхода хладоагента в линии рециркуляции 17 воздействием на мощность привода компрессора 5 с помощью исполнительного механизма 52. При отклонении текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного в сторону уменьшения, микропроцессор увеличивает хладопроизводительность теплонасосной установки. Если увеличение хладопроизводительности (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 (секции на чертеже не показаны).

Осушенный и охлажденный сушильный агент после испарителя 8 направляют в конденсатор 6, где он нагревается за счет тепла конденсации хладагента. По температуре сушильного агента перед калорифером, измеряемой датчиком 25 и вторичным прибором 36, изменение которой обуславливается как в результате нагревания в конденсаторе, так и за счет тепла отработанного сушильного агента в линии рециркуляции по дополнительному потоку 12, микропроцессор корректирует задание локальному регулятору 42 и с помощью исполнительного механизма 48 устанавливает расход греющего пара в калорифер, обеспечивающий требуемый температурный режим сушки (температуру сушильного агента на входе в сушилку).

В процессе сушки микропроцессор осуществляет непрерывное слежение за влажностью высушенного продукта с помощью датчика 21 и вторичного прибора 34. При отклонении текущего значения влажности высушенного продукта от заданного, что объясняется возможными случайными возмущениями либо из-за существенных колебаний состава влажного продукта, и в первую очередь его влажности, либо из-за технологических сбоев, связанных с подсосами в тракте подачи продукта на сушку в линии 9, а также в линиях рециркуляции сушильного агента по основному и дополнительному потокам 11 и 12, микропроцессор осуществляет коррекцию задания локальному регулятору 44, который посредством исполнительного механизма 50 воздействует на изменение влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку путем изменения расхода отработанного сушильного агента в линии рециркуляции по дополнительному потоку 12. При отклонении влажности высушенного продукта в сторону увеличения от заданного значения микропроцессор уменьшает расход отработанного сушильного агента в линии рециркуляции 12, а при отклонении влажности высушенного продукта в сторону уменьшения увеличивает расход отработанного сушильного агента в линии 12.

Возможные потери сушильного агента в линии рециркуляции по основному потоку 11 вследствие его частичного сброса по линии 15 и изменение расхода сушильного агента в линии рециркуляции по дополнительному потоку 12 в зависимости от влажности высушенного продукта 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 23 и вторичным прибором 35, с заданной микропроцессор корректирует задание локальному регулятору 43 и увеличивает мощность регулируемого привода вентилятора 3 посредством исполнительного механизма 49. Если увеличение мощности привода вентилятора не обеспечивает необходимого расхода сушильного агента, что свидетельствует а его потерях, то микропроцессор осуществляет подпитку осушенного сушильного агента свежим по линии 16 с помощью исполнительного механизма 51 и устанавливает режим подачи сушильного агента на входе в сушилку в соответствии с заданным алгоритмом.

В качестве конкретного примера по реализации способа производится процесс сушки в вертикальной непрерывнодействующей солодосушилке, установленной на пивзаводе "Воронежский".

Мягкие низкотемпературные режимы сушки с пониженным влагосодержанием сушильного агента (воздуха) позволяют снизить влажность солода с 44 - 45% до 3 - 3,5% за 24 ч и обеспечить его высокую ферментативную активность.

Пределы регулирования температуры, расхода и влагосодержания воздуха на входе в сушилку обоснованы в литературе (Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности/ Попов В.И., Кретов И.Т., Стабников В. Н. , Предтеченский В.К. 6-е изд. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. -464 с.) и соответственно составляют: 293 - 353 K; 24000 м³/ч; 0,001 - 0,005 кг/кг.

Для подготовки отработанного воздуха к поступающей сушке в линии рециркуляции сушильного агента по основному потоку 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 испарителя, м² - 68,9
Допустимая толщина "снеговой шубы", мм - 16 ± 0,5
Допустимые пределы изменения коэффициента теплопередачи, Вт/м² • K - 5,8 - 8,0
С помощью датчиков 18, 19, 20 и вторичных приборов 31, 32, 33 информация о текущей производительности сушилки по влажному продукту, например 368 кг/ч, и его температура после предварительного нагрева в камере 4, например 293 K, передается в микропроцессор, который по заложенной в него программе вырабатывает задание локальным регуляторам 43 и 42, устанавливает расход, например 24000 м³/ч, и температуру, например 333 K, воздуха на входе в сушилку с помощью исполнительных механизмов 49 и 48.

Отработанный воздух, отдав часть своего тепла на подогрев влажного солода в камере 4 с температурой, например 295 K, направляют по линии рециркуляции основного потока 11 на кондиционирование (осушение и охлаждение) в испаритель теплонасосной установки 8. По информации датчиков 26 и 28 и вторичных приборов 37 и 39 микропроцессор определяет поток влаги с отработанным воздухом по формуле:
G_вл= X₂ρ_caV,
где
X₂ρ_ca,V - влагосодержание, плотность абсолютно сухого воздуха и расход воздуха в линии 11, в зависимости от которого вырабатывает задание локальному регулятору 46 и устанавливает холодопроизводительность теплонасосной установки, например 35 кВт, путем воздействия на мощность привода компрессора 5 посредством исполнительного механизма 52. При этом микропроцессор устанавливает заданное соотношение расходов отработанного воздуха в линии 11 и хладагента в линии 17.

Для получения осушенного воздуха с заданным влагосодержанием, например 0,003 - 0,005 кг/кг, микропроцессор непрерывно вычисляет коэффициент теплопередачи от хладагента к воздуху через стенку охлаждающего элемента испарителя и слой "снежной шубы", образовавшейся в результате выпадения влаги из воздуха, и сравнивает его с заданным интервалом значений, например 5,8 - 8,0 Вт/(м²K).

Если текущее значение коэффициента теплопередачи соответствует заданному интервалу значений, то микропроцессор не воздействует на мощность регулируемого привода компрессора 5, что свидетельствует о стабилизации температуры охлаждения воздуха, соответствующей "точке росы", например 281 K, при которой достигается осушение воздуха вследствие выпадения из него влаги.

Если текущее значение коэффициента теплопередачи меньше заданного интервала значений, то микропроцессор корректирует задание локальному регулятору 46 на увеличение расхода хладагента в линии 17 путем увеличения холодопроизводительности теплонасосной установки до значения, например, 40 кВт. Если увеличение холодопроизводительности не позволяет вывести текущее значение коэффициента теплопередачи на интервал заданных значений (5,8 - 8,0 Вт/м²K), то микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя на регенерацию и подключает резервную.

Осушенный воздух подается в конденсатор теплонасосной установки 6, где он подогревается и подается в сушилку вентилятором 3.

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 осушенного воздуха свежим. Наличие же случайных возмущений немедленно отразится прежде всего на текущей величине влажности высушенного солода.

При отклонении текущей влажности высушенного солода от заданного значения, например 3,5% в сторону увеличения, микропроцессор корректирует задание локальному регулятору 44 и уменьшает расход отработанного воздуха в линии рециркуляции по дополнительному потоку 12 посредством исполнительного механизма 50 и снижает влагосодержание воздуха на входе в сушилку до тех пор, пока текущее значение влажности высушенного солода не достигнет заданного. При отклонении текущей влажности высушенного солода от заданного значения в сторону уменьшения микропроцессор увеличивает расход воздуха в линии 12 до выравнивания текущего и заданного значения влажности высушенного солода.

При возможном наличии излишней влаги в отработанном воздухе микропроцессор осуществляет его сброс по линии 15, при недостаточном количестве воздуха, подаваемого на сушку, микропроцессор обеспечивает подпитку осушенного воздуха свежим.

Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления по сравнению с базовым имеет следующие преимущества:
- обеспечивает полное использование и рекуперацию тепла отработанного сушильного агента;
- создает условия энергосберегающей технологии сушки за счет использования вторичного тепла;
- обеспечивает повышение качественных показателей высушенного продукта за счет организации низкотемпературной сушки с пониженным влагосодержанием сушильного агента (см. таблицу);
- снижает инерционность управления процессом - время с момента получения информации до подачи управляющих воздействий, т.о. режим сушки задается по начальным показателям влажности продукта, а не по конечной влажности высушенного;
- повышает экологическую эффективность, т.к. исключает выброс отработанного сушильного агента в атмосферу.

Способ предназначен для автоматизации технологических процессов, в частности при автоматизации процесса сушки термолабильных сыпучих продуктов, например зерна. В способе управления процессом сушки, предусматривающем разделение потока отработанного сушильного агента на основной, который подают на предварительный подогрев влажного продукта, и дополнительный, который смешивают со свежим сушильным агентом, с коррекцией управления отработанный сушильный агент по основному потоку после предварительного подогрева влажного продукта подают сначала на осушение в испаритель и затем в конденсатор, 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. По измеренным дополнительным параметрам корректируют расход и температуру сушильного агента на входе в сушилку и осуществляют выброс излишней влаги с частью отработанного сушильного агента. Техническим результатом изобретения является повышение качества высушенного продукта, снижение удельных энергозатрат и повышение экологической эффективности процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл. , 1 ил.

1. Способ автоматического управления процессом сушки, предусматривающий разделение потока отработанного сушильного агента на основной, который подают на предварительный подогрев влажного продукта, и дополнительный, который смешивают со свежим сушильным агентом, а также измерение расхода влажности продукта, температуры, влагосодержания и расхода сушильного агента на входе в сушилку, влажности высушенного продукта с коррекцией управления, отличающийся тем, что отработанный сушильный агент по основному потоку 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 калорифером, расход, температуру и влагосодержание сушильного агента перед испарителем, температуру сушильного агента после испарителя, температуру хладагента на входе в испаритель, по измеренным значениям расхода, температуры и влажности продукта на входе в сушилку 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 текущим значениям расхода и влагосодержания сушильного агента перед испарителем определяют поток влаги, подаваемый на испаритель, сравнивают его с максимально возможным значением потока влаги и, если поток влаги больше максимально возможного значения, осуществляют выброс излишней влаги с частью отработанного сушильного агента. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по текущим значениям расхода сушильного агента по основному потоку, температуры сушильного агента до и после испарителя и температуры хладагента на входе в испаритель определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от сушильного агента к хладагенту и корректируют соотношение расходов хладагента и сушильного агента на входе в испаритель по коэффициенту теплопередачи путем воздействия на расход хладагента, причем по достижении текущей величины коэффициента теплопередачи предельно минимального значения производят отключение рабочей секции испарителя теплонасосной установки на регенерацию с одновременным включением в работу резервной секции.