способ автоматического управления процессом сушки

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом сушки, предусматривающий предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента с последующим его осушением в рабочей секции испарителя теплонасосной установки нагреванием сначала в теплообменнике-рекуператоре, а затем в конденсаторе теплонасосной установки и подачей в сушилку, измеряя температуру и влагосодержание сушильного агента на входе в сушилку, с образованием замкнутого цикла, осуществление сброса излишней части отработанного сушильного агента или его подпитки свежим сушильным агентом путем воздействия на мощность привода вентилятора, мощность привода компрессора теплонасосной установки с коррекцией ее хладопроизводительности, отключение на регенерацию рабочей секции испарителя и подключение резервной, стабилизацию конечной влажности продукта воздействие на расход влажного продукта, подаваемого на предварительный подогрев, отличающийся тем, что отработанный сушильный агент после предварительного подогрева влажного продукта последовательно подают сначала в теплообменник-рекуператор на предварительное охлаждение за счет низкотемпературного потенциала осушенного сушильного агента, поступающего из рабочей секции испарителя теплонасосной установки, затем - на последующее охлаждение в секцию испарителя, работающую в режиме регенерации, за счет теплообмена между сушильным агентом и размораживающейся снеговой шубой на охлаждающей поверхности этой секции, далее в рабочую секцию испарителя теплонасосной установки, осуществляют коррекцию хладопроизводительности теплонасосной установки по температуре сушильного агента на входе в сушилку воздействием на мощность привода компрессора, а стабилизацию влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку осуществляют воздействием на соотношение расходов отработанного и свежего сушильного агента в линии рециркуляции путем изменения их расходов в линиях сброса и подпитки.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ автоматического управления процессом сушки (патент РФ 21172278, F 26 В 25/22, БИ 22, 1998), в котором отработанный сушильный агент после предварительного нагрева влажного продукта подают сначала на осушение в испаритель и затем в конденсатор теплонасосной установки, после чего направляют в сушилку, образуя замкнутый цикл, дополнительно измеряют температуру сушильного агента перед калорифером, его расход, температуру и влагосодержание перед испарителем, температуру сушильного агента после испарителя, температуру хладагента на входе в испаритель, по измеренным значениям расхода, 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 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, то осуществляют выброс излишней влаги с частью отработанного сушильного агента.

По текущим значениям расхода сушильного агента, его температуры 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 при достижении текущей величины коэффициента теплопередачи предельно минимального значения производят отключение рабочей секции испарителя теплонасосной установки на регенерацию с одновременным включением в работу резервной секции.

Однако известный способ не предусматривает рационального использования тепла отработанного сушильного агента и его низкотемпературного потенциала на выходе из испарителя теплонасосной установки, что не может обеспечить существенного снижения энергозатрат.

Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического управления процессом сушки сыпучего продукта (патент РФ 2150642, F 26 В 25/22), предусматривающий предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента, осушение отработанного сушильного агента в рабочей секции испарителя теплонасосной установки, его нагревание сначала в теплообменнике-рекуператоре, затем в конденсаторе теплонасосной установки и подачу в сушилку с образованием замкнутого цикла, сброс излишней части отработанного сушильного агента или его подпитку свежим сушильным агентом путем воздействия на мощность привода вентилятора, мощность привода компрессора теплонасосной установки с коррекцией ее хладопроизводительности, отключение на регенерацию рабочей секции испарителя и подключение резервной секции, стабилизацию конечной влажности продукта воздействием на расход влажного продукта, подаваемого на предварительный подогрев.

Однако известный способ не в полной мере обеспечивает рациональное использование вторичных энергоресурсов за счет рекуперации и утилизации тепла отработанного сушильного агента, что не создает перспектив в развитии технологии энергосбережения при сушке термолабильных продуктов с применением теплонасосной установки.

В способе не реализован процесс теплообмена путем теплопередачи через рабочую поверхность теплообменника-рекуператора между потоками сушильного агента с высоко- и низкотемпературным потенциалом, поэтому отсутствует возможность использования тепла отработанного сушильного агента для его нагрева после рабочей секции испарителя перед подачей в конденсатор теплонасосной установки, а также использование низкотемпературного потенциала сушильного агента после рабочей секции испарителя для его предварительного охлаждения перед подачей на последующее охлаждение в испаритель. В этой связи не может быть снижена тепловая нагрузка на испаритель теплонасосной установки, так как не обеспечивается снижение температуры отработанного сушильного агента перед осушением за счет постепенного охлаждения, в том числе и при размораживании снеговой шубы на охлаждающей поверхности секции, работающей в режиме регенерации.

Таким образом, известный способ не позволяет снизить затраты энергии на привод компрессора за счет снижения тепловых нагрузок на конденсатор и испаритель теплонасосной установки, а следовательно, не обеспечивает снижения удельных энергозатрат на процесс сушки.

Технической задачей изобретения является снижение удельных энергозатрат на процесс сушки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки, предусматривающем предварительный подогрев влажного продукта потоком отработанного сушильного агента с последующим его осушением в рабочей секции испарителя теплонасосной установки, нагреванием сначала в теплообменнике-рекуператоре, а затем в конденсаторе теплонасосной установки и подачей в сушилку, измеряя температуру и влагосодержание сушильного агента на входе в сушилку, с образованием замкнутого цикла, осуществление сброса излишней части отработанного сушильного агента или его подпитки свежим сушильным агентом путем воздействия на мощность привода вентилятора, мощность привода компрессора теплонасосной установки с коррекцией ее хладопроизводительности, отключение на регенерацию рабочей секции испарителя и подключение резервной, стабилизацию конечной влажности продукта воздействием на расход влажного продукта, подаваемого на предварительный подогрев, новым является то, что отработанный сушильный агент после предварительного подогрева влажного продукта последовательно подают сначала в теплообменник-рекуператор на предварительное охлаждение за счет низкотемпературного потенциала осушенного сушильного агента, поступающего из рабочей секции испарителя теплонасосной установки, затем - на последующее охлаждение в секцию испарителя, работающую в режиме регенерации, за счет теплообмена между сушильным агентом и размораживающей снеговой шубой на охлаждающей поверхности этой секции, далее в рабочую секцию испарителя теплонасосной установки осуществляют коррекцию хладопроизводительности теплонасосной установки по температуре сушильного агента на входе в сушилку воздействием на мощность привода компрессора, а стабилизацию влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку осуществляют воздействием на соотношение расходов отработанного и свежего сушильного агента путем изменения их расходов в линиях сброса и подпитки.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления.

Схема содержит сушилку 1, вентилятор 2, теплообменник 3, теплообменник-рекуператор 4, компрессор теплонасосной установки 5, резервную, работающую в режиме регенерации секцию 7 и рабочую секцию 8 испарителя 6, конденсатор теплонасосной установки 9, линии подачи влажного продукта на сушку 10, отвода высушенного продукта 11, рециркуляции сушильного агента 12, сброса отработанного сушильного агента 13, подпитки отработанного сушильного агента свежим 14, рециркуляции хладагента теплонасосной установки 15, датчики расхода и температуры влажного продукта соответственно 16 и 19, влажности влажного и высушенного продукта 21 и 22, температуры сушильного агента на входе в сушилку 20, расхода и влагосодержания сушильного агента на входе в испаритель 17, 23, расхода и влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку 18, 24, микропроцессор 25, исполнительные механизмы 26-37 (а, б, в, г, д, е, ж, з, и - входные каналы управления; А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, 3, И, К, Л, М - выходные каналы управления).

Способ осуществляется следующим образом.

По текущей информации о влажности, температуре и расходе влажного продукта в линии 10 после его предварительного подогрева в теплообменнике 3, получаемой соответственно с датчиков 21, 19, 16, микропроцессор 25 по заложенному в него алгоритму устанавливает заданный режим сушки, а именно массовый и тепловой расход сушильного агента на входе в сушилку 1 воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора 2 посредством исполнительного механизма 27 и на мощность регулируемого привода компрессора 5 посредством исполнительного механизма 28, обеспечивающего необходимую хладопроизводительность теплонасосной установки, а следовательно, и температуру сушильного агента на входе в сушилку 1.

Отработанный сушильный агент после предварительного подогрева влажного продукта в теплообменнике 3 подают в теплообменник-рекуператор 4, в котором осуществляют процесс теплообмена между отработанным сушильным агентом и осушенным сушильным агентом, подаваемым с рабочей секции 8 испарителя 6 теплонасосной установки, что обеспечивает охлаждение отработанного сушильного агента перед его подачей в испаритель 6 и нагревание сушильного агента, подаваемого после рабочей секции 8 испарителя 6 в конденсатор 9. Охлажденный отработанный сушильный агент затем подают в секцию 7 испарителя 6, работающую в режиме регенерации. При этом секцию 7 отключают из контура рециркуляции хладагента 15 теплонасосной установки посредством исполнительных механизмов 34 и 35 и осуществляют размораживание снеговой шубы на ее охлаждающей поверхности предварительно охлажденным сушильным агентом в теплообменнике-рекуператоре 4. В процессе размораживания снеговой шубы предварительно охлажденный сушильный агент подвергается дальнейшему охлаждению со значительным снижением температуры, после чего его подают в рабочую секцию 8 испарителя 6, которую подключают к контуру рециркуляции хладагента 15 теплонасосной установки посредством исполнительных механизмов 33, 36. Таким образом, с одной стороны, повышается температурный потенциал сушильного агента перед его нагреванием в конденсаторе 9, а с другой, снижается температура отработанного сушильного агента перед его подачей сначала в секцию 7, а затем в секцию 8, что позволяет снизить нагрузку на конденсатор 9 и испаритель 6, а следовательно, снизить затраты на мощность регулируемого привода компрессора 5 теплонасосной установки посредством исполнительного механизма 28.

В соответствии с технологическими возможностями испарителя теплонасосной установки по текущим значениям расхода и влагосодержания отработанного сушильного агента, измеряемых соответственно датчиками 17 и 23, микропроцессор 25 устанавливает максимально возможный поток влаги с отработанным сушильным агентом, подаваемым в рабочую секцию 8 через резервную секцию 7 испарителя 6, а количество излишней влаги с отработанным сушильным агентом сбрасывает по линии 13 с помощью исполнительного механизма 29 с одновременной подпиткой отработанного сушильного агента свежим, подаваемым по линии 14, с помощью исполнительного механизма 30, сохраняя при этом необходимое количество сушильного агента в линии рециркуляции 12.

В процессе сушки микропроцессор 25 обеспечивает стабилизацию температуры сушильного агента на входе в сушилку, текущее значение которой измеряют датчиком 20. При отклонении температуры сушильного агента на входе в сушилку от заданного значения в сторону уменьшения микропроцессор 25 увеличивает хладопроизводительность теплонасосной установки путем увеличения мощности привода компрессора 5 посредством исполнительного механизма 28, а при отклонении температуры сушильного агента на входе в сушилку от заданного значения в сторону увеличения - уменьшает хладопроизводительность теплонасосной установки путем уменьшения мощности привода компрессора 5.

По информации датчика 24 о текущем влагосодержании сушильного агента на входе в сушилку 1 микропроцессор 25 корректирует соотношение расходов сушильного агента в линии сброса 13 и линии подпитки 14 посредством исполнительных механизмов 29, 30. При отклонении влагосодержания сушильного агента от заданного значения в сторону увеличения микропроцессор увеличивает расход отработанного сушильного агента в линии сброса 13 и расход свежего сушильного агента в линии подпитки 14, сохраняя при этом соотношение этих расходов в заданном интервале значений. Если изменение соотношения расходов в пределах заданных значений не обеспечивает стабилизацию влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку, что свидетельствует о недостаточном осушении сушильного агента в рабочей секции 8 испарителя 6, обусловленным уменьшением коэффициента теплопередачи на его охлаждающей поверхности, микропроцессор отключает рабочую секцию 8 из контура рециркуляции хладагента 15 теплонасосной установки и подключает резервную секцию 7 посредством исполнительных механизмов 33, 34, 35, 36.

Отклонение влагосодержания сушильного агента на входе в сушилку от заданного значения в сторону уменьшения маловероятно в связи с постепенным снижением коэффициента теплопередачи на охлаждающей поверхности за счет нарастания во времени снеговой шубы в процессе осушения сушильного агента.

При переключении секций 7 и 8 испарителя 6 с режима регенерации на рабочий режим и наоборот микропроцессор 25 осуществляет переключение потока сушильного агента, подаваемого на осушение, посредством исполнительного механизма 37 таким образом, чтобы его подача осуществлялась сначала в секцию, работающую в режиме регенерации, а потом в рабочую секцию испарителя 6 теплонасосной установки. Исполнительные механизмы 33, 34, 35, 36, 37 работают синхронизировано.

В процессе сушки микропроцессор 25 непрерывно осуществляет слежение за влажностью высушенного продукта с помощью датчика 22. При отклонении текущего значения влажности высушенного продукта от заданного в сторону увеличения микропроцессор 25 уменьшает расход влажного продукта в линии 10 с помощью исполнительного механизма 26, а при отклонении текущего значения влажности высушенного продукта от заданного в сторону уменьшения - увеличивает расход влажного продукта в линии 10.

В качестве конкретного примера по реализации способа приводится процесс сушки солода в вертикальной непрерывно действующей 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) и соответственно составляют: 293-353 К; 24000 м³/ч; 0,001-0,005 кг/кг.

Для подготовки отработанного воздуха к последующей сушке в линии рециркуляции сушильного агента 12 установлена теплонасосная установка со следующими техническими данными:

Хладопроизводительность - 30-40 кВт

Хладагент(фреон-12) - R12

Тип компрессора - поршневой одноступенчатый

Площадь охлаждающей поверхности испарителя - 68,9 м²

С помощью датчиков 16, 19, 21 информация о текущей производительности сушилки по влажному продукту, например 368 кг/ч, и его температуре после предварительного нагрева в камере 3, например 301 К, передается в микропроцессор 25, который по заложенному в него алгоритму устанавливает расход воздуха, например 24000 м³/ч, воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора 2 с помощью исполнительного механизма 27 и температуры воздуха на входе в сушилку, например 333 К, воздействием на мощность привода компрессора 5 теплонасосной установки.

Отработанный воздух, отдав часть своего тепла на подогрев влажного солода в теплообменнике 3 с температурой, например 304 К, направляют по линии рециркуляции 12 в теплообменник-рекуператор 4, в котором за счет теплообмена путем теплопередачи через его рабочую поверхность между отработанным сушильным агентом, обладающим высоким температурным потенциалом, и сушильным агентом с низким температурным потенциалом, поступающим из рабочей секции испарителя 8 с температурой, например 278 К, достигается снижение температуры отработанного сушильного агента до температуры, например 296 К, который затем подают в резервную секцию испарителя 7, работающую в режиме регенерации. При размораживании снеговой шубы на охлаждающей поверхности этой секции обеспечивается снижение температуры воздуха, например до 288 К, с которой он подается на кондиционирование (осушение и охлаждение) в рабочую секцию 8 испарителя 6, что позволяет снизить нагрузку на испаритель. Осушение воздуха в рабочей секции 8 испарителя 6 сопровождается образованием снеговой шубы на охлаждающей поверхности за счет конденсации влаги из отработанного воздуха и снижением его температуры, например до 278 К.

Осушенный в рабочей секции 8 воздух до влагосодержания, например 0,005 кг/кг, подается в теплообменник-рекуператор 4, нагревается до температуры, например 286 К, и подается в конденсатор 9 теплонасосной установки. Повышение температуры воздуха перед конденсатором позволяет снизить тепловую нагрузку на конденсатор 9.

В процессе сушки непрерывно обеспечивается стабилизация температуры воздуха на входе в сушилку, например 333 К, текущее значение которой измеряют датчиком 20. По результатам рассогласования текущего и заданного значения температуры микропроцессор корректирует хладопроизводительность теплонасосной установки воздействием на мощность регулируемого привода компрессора 5 посредством исполнительного механизма 28.

По информации датчика 24 о текущем влагосодержании воздуха на входе в сушилку 1 микропроцессор 25 корректирует соотношение расходов отработанного и свежего воздуха в линии 12 путем их изменения в линиях сброса 13 и подпитки 14 посредством исполнительных механизмов 29, 30. При отклонении влагосодержания сушильного агента от заданного значения, например 0,003-0,005 кг/кг, микропроцессор воздействует на соотношение расходов отработанного воздуха агента в линии сброса 13 и свежего воздуха, забираемого из атмосферы, в линии подпитки 14, сохраняя при этом соотношение этих расходов в заданном интервале значений, например 10:1. Если изменение соотношения расходов в пределах заданных значений не обеспечивает стабилизацию влагосодержания воздуха на входе в сушилку, что свидетельствует о недостаточном его осушении в рабочей секции 8 испарителя 6, то микропроцессор отключает рабочую секцию 8 из линии рециркуляции хладагента 15 теплонасосной установки и подключает резервную секцию 7 посредством исполнительных механизмов 33, 34, 35, 36.

Одновременно микропроцессор 25 осуществляет переключение направления движения потока воздуха в испаритель и обеспечивает выполнение необходимого условия его подачи сначала в секцию, работающую в режиме регенерации, а потом в рабочую секцию испарителя 6 теплонасосной установки.

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 воздуха 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 уменьшает расход влажного солода в линии его подачи на сушку 10 до тех пор, пока текущее значение влажности высушенного солода не достигнет заданного, а при отклонении текущей влажности высушенного солода от заданного значения в сторону уменьшения микропроцессор увеличивает расход влажного солода в линии 10.

Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления по сравнению с базовым имеет следующие преимущества:

- обеспечивает реализацию неиспользованных резервов рекуперации тепла отработанного сушильного агента;

- позволяет эффективно использовать низко- и высокотемпературный потенциал сушильного агента в теплонасосных сушильных установках с целью максимального использования;

- стабилизирует температуру сушильного агента на входе в сушилку путем коррекции хладопроизводительности теплонасосной установки воздействием на мощность привода компрессора, что позволяет исключить из схемы калорифер;

- обеспечивает снижение тепловых нагрузок на конденсатор и испаритель теплонасосной установки, что позволяет снизить энергозатраты на единицу массы высушенного продукта на 10...15%.