Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор по исследованию и моделированию процесса сушки солода 7
1.1. Исследования установившихся процессов сушки 7
1.2. Закономерности кинетики сушки 17
1.3. Математическое моделирование процессов сушки 26
1.4. Оптимизация процесса сушки солода и задачи исследования 34
ГЛАВА 2. Разработка метода моделирования кинетики сушки солода в стационарном режиме управления 44
2.1. Экспресс-метод аппроксимации кривых сушки солода 44
2.2. Развитие экспресс-метода и выбор структуры модели кинетики сушки 52
2.3. Определение параметров модели статистическими методами 59
ГЛАВА 3. Разработка уточненного метода расчета процесса сушки солода в переменном режиме управления 78
3.1. Экспериментальное исследование кинетики сушки солода в переменном режиме 78
3.2. Метод расчета процесса сушки солода при программированном по времени режиме управления 82
3.3. Развитие метода расчета на случай ограничений по управляемым переменным.. 92
ГЛАВА 4. Применение метода расчета к интенсификации процесса сушки солода 102
4.1. Оптимизация временной программы температуры и скорости сушильного агента 102
4.2. Применение оптимального режима управления к проектированию солодосушилок . 115
4.3. Оптимизация управления процессом сушки в действующих солодосушилках 121
Выводы 132
Литература
- Закономерности кинетики сушки
- Развитие экспресс-метода и выбор структуры модели кинетики сушки
- Метод расчета процесса сушки солода при программированном по времени режиме управления
- Применение оптимального режима управления к проектированию солодосушилок
Введение к работе
Продовольственной программой [i] , утвержденной майским • (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, предусмотрено увеличить производство пищевых продуктов, в том числе довести среднегодовой выпуск пива в одиннадцатой пятилетке до 780 млн.дал [2 J . Увеличение выпуска пива в основном будет осуществляться за счет увеличения производства основного вида сырья для его изготовления - солода. К 1985 году намечено увеличить выпуск солода до 1078 тыс.тонн в год (в 1,5 раза больше, чем в 1980 г.). За годы двенадцатой пятилетки планируется не только ликвидировать существующую в настоящее время диспропорцию в производстве солода и пива, но и создать перспективу экспорта солода в другие страны.
Увеличение производства солода будет осуществляться, с одной стороны, за счет введения в строй нового, более совершенного оборудования, а с другой стороны, - за счет интенсификации технологических процессов с целью увеличения производительности действующего оборудования. При этом особенно важным является снижение топливно-энергетических затрат в процессе производства.
Наряду с современной задачей увеличения выпуска солода остаются актуальными традиционные задачи повышения технико-экономических показателей (снижение себестоимости, удельных затрат энергии и топлива) при выполнении ограничений на качество. В решениях Декабрьского 1983 г. Пленума ЦК КПСС подчеркивается важное значение создания энерго- и ресурсосберегающей технологии, что имеет непосредственное отношение к процессу сушки, наиболее энергоемкому в производстве солода. Вопросы теории и практики экономного использования топливно-энергетических затрат при сушке солода давно в центре внимания специалистов. Им посвящены работы Попова В.И., Балашова В.Е., Гавриленкова A.M., Кулакова В.И., Кашурина А.Н., Домарецкого В.А. и др. Однако на современном этапе возрастает роль комплексного решения задач повышения производительности и технико-экономических показателей на основе совершенствования метода расчета процесса сушки солода, обеспечивающего более высокий уровень интенсификации.
Цель диссертационной работы состоит в создании и исследовании математической модели кинетики сушки солода, в разработке метода расчета процесса сушки солода в переменном режиме управления; в оптимизации технологических режимов, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей проектируемых соло-досушилок и эксплуатации действующих.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие задачи:
- создать и исследовать управляемую модель кинетики сушки солода;
- разработать метод расчета процесса сушки солода в переменном режиме управления;
- определить оптимальные технологические режимы сушки по ряду технико-экономических показателей;
- определить возможности применения оптимальных технологических режимов к проектированию солодосушилок;
- определить возможности применения оптимальных технологических режимов к управлению процессом сушки в действующих сушильных установках.
Закономерности кинетики сушки
Нестационарный (переходный) процесс сушки солода характеризуется неравновесным термодинамическим состоянием, при котором происходит удаление влаги [4,201 . фи этом влагосодержание солода снижается с 44-45/ до 3-3,5$ к общей массе или с 79-82$ до 3,1-3,6$ к массе сухих веществ.
В качестве управляющих воздействий в солодосушилках используется температура Тш и линейная скорость иУш сушильного агента [24,25,94]. Это объясняется тем, что сушильный агент выполняет две функции;подводит тепло к высушиваемому материалу и одновременно удаляет испаренную влагу из солода. Количество подведенного тепла, прямопропорциональное температуре и линейной скорости сушильного агента, определяет температуру высушиваемого солода и, как правило, интенсивность испарения влаги из него. Кроме того, величина линейной скорости определяет унос влаги из зоны сушки. Выбор закона изменения температуры и линейной скорости во времени составляет основную задачу управления процессом сушки.
Теоретическое исследование кинетики управляемых процессов сушки капиллярно-пористых и дисперсных материалов, в том числе солода, затруднительно из-за недостаточно полного развития общей теории. Поэтому в инженерной практике широко используются экспериментальные методы исследования, связанные с получением кривых сушки. Для использования экспериментальных данных с целью расчетов и оптимизации необходимо интерпретировать их в виде эмпирических формул. Этому вопросу посвящена обширная литература [5,26,32,35,45-48,59,60,65,72,85,90,93,107, ПІ.П5,117-120,123-129,131,134,135,137] .
Здесь можно выделить два направления: первое связано с математической интерпретацией кривых скорости сушки, второе - непосредственно кривых сушки.
Основоположником первого направления является А.В.Лыков. С помощью приближенного решения дифференциального уравнения вла-гопереноса -- - = a v2u -на d-v2T+ amJ V2P ( I 12 ) при граничных условиях " " (шУпов = a(UnoS Up) ( I.I3 ) А.В.Лыковым получено уравнение кинетики влагоотдачи, согласно которому кривая скорости сушки во втором периоде (период падающей скорости сушки) заменяется прямой, т.е. применяется прямо-пропорциональная зависимость между скоростью сушки и влагосодер-жанием материала: "к( -К). НИ)
Здесь к - коэффициент сушки, с""1; а , - коэффициент внешнего массообмена, м/с; zm - коэффициент внутренней диффузии влаги, м/с; (-0 ) градиент влагосодержания на поверхности, \OXJno8. кг вл./(кг св. м); и - влагосодержание поверхности материала, кг вл./кг св.; " - коэффициент термодиффузии влаги, кг вл./кг св. С; кр - коэффициент молярного переноса пара, м2/с; р0 - плотность сухого вещества, кг/м3.
Уравнение (I.I4) справедливо при условии постоянства коэффициентов влагопереноса. В действительности коэффициенты переноса изменяются во времени с изменением влагосодержания материала, поэтому характер зависимости скорости сушки от влажности во втором периоде будет нелинейным. Следует заметить, что в математической постановке задачи, решение которой позволило получить базовое уравнение (I.I4), углубление зоны испарения в процессе сушки не учитывалось.
В этом случае действительную кривую скорости сушки во втором периоде А.В.Лыков предлагает заменить прямой линией.
В.А.Цой [lI5j рекомендует скорость сушки определять непосредственно из уравнения (I.I4), которое с учетом того, что скорость внутреннего массопереноса меньше интенсивности внешнего массообмена, т.е.
Развитие экспресс-метода и выбор структуры модели кинетики сушки
Опыт аппроксимации кривых сушки солода в высоком плотном слое по предлагаемой выше методике, содержащих продолжительные по времени периоды прогрева, показал целесообразность изменения первого слагаемого в модельной (аппроксимирующей) функции. При этом предлагается вместо экспоненты использовать экспоненциальную функцию вида: f/t)=Ae , ( 2Л5) где оСа f otf - искомые коэффициенты, которые будем находить по следующим формулам: с/ = WL , ( 2.16 ) . _ & (Ч- W,) І- си% - & [W(TJ- wP] где WH - производная в начальной точке кривой сушки, %/чао. Здесь Т3 определяется соотношением (2.2):
Формулы (2.16), (2.17) получены на основе интерполяционного приближения, обеспечивающего совпадение значений функции (2.15) с кривой сушки в начальной точке и в точке близкой к установившемуся значению (равновесной влажности Wp ). Кроме того, в начальной точке обеспечивается совпадение их первых производных. Предполагается, что кривая, оставшаяся после вычитания графика функции (2.15) из кривой сушки, имеет форму "колокольного" типа.
Для ее аппроксимации используется методика экспресс-метода. На примере экспериментальной кривой сушки I (рис.2.3) рассматривается порядок расчета. 1. Определяем значение А Л = Wu - Ж =81 - 3,6 = 77,4$ 2. Используя геометрический смысл производной, графически находим WH WJ = ф (9 = 2,67#/ч Здесь G - угол наклона касательной в начальной точке кривой сушки (рис.2.3). 3. Вычисляем cL0 0 WH-WP 77А 4. Находим cCf _ &i(WH-Wp)-J-cJoh-6b[W(r3)-Wp] З - 4.349 + 0.034 26 - 1.353 = 0 Ю57 ч 2 676 5. Из кривой сушки І вычитаем кривую 2 функции экспонен циального вида: f/tj-Ae - - е - 5 6. Кривая разности 3 используется для получения исходных данных при расчете функции "колокольного" типа
Таким образом, внесенные изменения в экспресс-метод не усложняют расчета.В то же время использование обобщенной экспоненты, имеющей всего два параметра достаточной степенью точности аппроксимирует кривые сушки солода при фиксированном режиме управления. На основании накопленного опыта обработки по предлагаемой выше методике и систематизации экспериментального материала оказалось возможным сделать вывод о том, что необходима определенная агрегация переменных с тем, чтобы получить сравнительно простую и достаточно адекватную модель для интерпретации семейства кривых сушки, полученных в различных сечениях высокого слоя солода при различных технологических параметрах сушильного агента. На этом пути удалось найти следующую структуру модели Г % = « - V A ( 2.18 ) w;-wp
Для определения коэффициентов модели кинетики сушки солода использованы экспериментальные данные, полученные автором на экспериментальной установке [і9І по методике Гб7] и приведенные в Приложении I. Они определяют влажность солода W от времени т и высоты слоя if при различных значениях температуры Тш и скорости сушильного агента гош в условиях стационарного режима управления. При этом переменные у , Тт , ги принимают дискретные значения и их число фиксировано, т.е. =0,15; у2 =0,25; =0,35; $=0,45; =0.55; &=0,65; у7 =0,75; &=0,85; & =0,95; у„ =1,05; Г =40С; TJ =50С; TJ =60С; Г =ТОС; TJ =80С; =85С; и =0,2 м/с; го =0,4 м/с; ги =0,6 м/с; ги =0,8 м/с; 2 =1.0 м/с; а =1,2 м/с.
Переменная Г является дискретной т. = / , но число дискретных значений не фиксировано, а зависит от высоты слоя солода и режима сушки. Таким образом, У„(Ч-й«) ; Ufi-i iw Q-ifi); %(e4 R). (2.19) Коэффициенты а; и в , соответствующие фиксированным 7 , иш » определялись из условия минимума выражения [IOOJ :
Метод расчета процесса сушки солода при программированном по времени режиме управления
Система автоматического программного управления по расходу сушильного агента включала программное устройство РУ5-ОІМ (поз. 2-4);вторичный прибор КСД-3(поз.2-3)с регулятором;расходомер,состоящий из сужающего устройства-диафрагмы ДНК-10 (поз.2-І) и дифманометра да 3583 (поз,2-2);электрический исполнительный механизм МЭО (поз.2-5),установленный на подводящем воздуховоде 2. Системы автоматического программного управления по температуре и расходу сушильного агента реализовывали программы с погрешностью 1,5$. Для контроля за температурой слоя солода использовался двенадцатиточечный самопишущий потенциометр КСП-4 (поз.3-П) .Датчики температуры-термопары ТЖ (поз.3.1-3.10) устанавливались равномерно по высоте слоя.
Изменение относительной влажности сушильного агента обеспечивалось следящей системой, состоящей из потенциометра (поз.4-2), мокрой термопары (поз.4-І) и регулирующего клапана с исполнительным механизмом (поз.4-3)установленным на патрубке 3 подачи водяного пара в воздуховод 2. При проведении процесса по линии постоянного теплосодержания температура влажного термометра остается примерно постоянной [8б]. Поэтому необходимое изменение относительной влажности воздуха на входе в слой солода сводилось к поддержанию постоянного значения показания влажной термопары на каждом этапе сушки в зависимости от выбранного переменного режима. Система регулирования обеспечивала поддержание температуры влажного термометра с точностью 1,5 К. Контроль относительной влажности воздуха на входе и выходе из слоя солода осуществлялся гигрометрами "Волна-Ш" (соответствено поз.4-І и 5-І), представляющими собой сорбционно-частотный одноканальний однофункциональ-ный цифровой переносной прибор с диапазоном измерения от 0 до 99,9$ при температуре от 0 до 358 К,скорости потока анализируемой среды от 0 до 15 м/с и абсолютной погрешностью 1,. Переменный режим сушки солода задавался программой изменения во времени температуры и расхода сушильного агента. Соответствующая этому режиму влажность и температура высушиваемого материала измерялась как в отдельных сечениях по высоте слоя, так и по времени. Организация и отбор проб высушиваемого материала осуществлялись в соответствии с методикой, разработанной в [67].Непосредственно влажность солода определялась методом высушивания до постоянной массы [79] .
Опыты проводились с сырым солодом семисуточного ращения,полученным в ящичной солодовне Воронежского пивоваренного завода из ячменя 2-го и 3-го класса сортов:Носовский-6,Унисон,Альза.Начальная влажность продукта составляла в среднем 79-81% (в расчете на массу сухих веществ. Исследование кинетики сушки солода проводилось в переменном режиме:линейная скорость сушильного агента изменялась в пределах от 1,2 м/с в начале сушки до 0,2 м/с в конце,температура-от 3I3K в начале сушки до 358К в конце, влаго-содержание в каждом опыте потдерживалось постоянным в интервале значений 0,001 0,015 кг/кг.
Выбор закона изменения температуры Т и скорости & сушильного агента во времени составляет основную задачу управления процессом сушки солода. Для ее решения необходима информация о предпочтительности различных сочетаний управляющих воздействий на каждой стадии процесса. Расчет процесса сушки при любом на боре возможных кусочно-постоянных управлений и их оценка с позиции критерия оптимизации позволят выбрать наилучший технологический режим из множества возможных.
Рассмотрим случай, когда управления можно сформировать непосредственно по времени.
Предлагаемый метод расчета процесса сушки опирается на специфический алгоритм "сшивания" кривых сушки стационарных режимов.
Будем считать, что каждая часть процесса сушки имеет известные интервалы времени Jo c, J г т20, ... у JTm1} тпС на которых температура Та и линейная скорость Юш сушшгьного агента принимают фиксированные значения: ( з.і ) (здесь и далее в работе с целью компактности записи математических выражений индексация параметров Т и гц дается в верхней части буквеїшнх обозначений).
Применение оптимального режима управления к проектированию солодосушилок
В лаборатории Воронежского пивзавода были определены качественные показатели солода, высушенного на экспериментальной установке (рис.3.I) по оптимальному режиму управления, соответствующего максимуму прибыли. В табл.4.5 приведены значения качественных показателей образцов готового солода, взятых из трех сечений высокого слоя: у =0,15 м; и =0,65 м; у =1,00 м. По органолептическим показателям солод соответствовал требованиям ОСТа 18-305-77. Из табл.4.5 следует, что качественные показатели солода, высушенного по оптимальному (в смысле максимума средней по времени прибыли) режиму управления, не выходят за допустимые пределы ОСТа 18-305-77.
На основе полученного оптимального режима предлагается подход к проектированию солодосушилок. Этот подход заключается в построении такого процесса сушки, протекающего по одной пространственной переменной, чтобы он был бы эквивалентен оптимальному процессу сушки по времени. При этом оптимальные программы изменения скорости и температуры сушильного агента по времени долшш быть эквивалентны соответствующим программам по пространственной координате. Возможности такого подхода иллюстрируются на рис.4.1.
Считается, что известна оптимальная программа изменения скорости и температуры сушильного агента по времени, т.е. TJ-LW,..., T J. (4.16) Отсюда находим пространственные интервалы, соответствующие временным; - W = JL (TiiJ 4.17) ГДЄ L = (й?п) Следующий шаг состоит в том, чтобы найти поперечные сечения сушильной камеры в интервале J EL 3 Ес [ . Для этого используем уравнение неразрывности потока: где G - массовый расход сушильного агента. В результате из (4.18) можно найти поперечные сечения сушильной камеры Г- » - 3» _ & U йЙ й ajj - 0&f Х-/гс4/ ( 4.22 )
Новизна конструкций солодосушилок, в которых был использован предлагаемый подход, были защищены авторскими свидетельствами J» II0I647, Кл. F26B; Jfc II02806, Кл. CI2C, F26B.
В А. с. № II0I647, Кл. F 26В развивается предлагаемый подход на случай, когда оптимальные программы изменяются в зависимости от внешних условий, когда в этой связи целесообразно делать конструкцию оперативно перестраиваемой.
На рис.4.3 приведена схема непрерывнодействующей солодосу-шилки. Сушилка содержит шнековый питатель I, устройство для вы-грузки готового продукта, включающее в себя жалюзи 2, ленточный перфорированный транспортер 3 и разгрузочный патрубок 4, коро -ба 5 и 6 соответственно для подачи свежего и отвода отработанного сушильного агента, вертикальную сушильную камеру 7, имеющую три зоны сушки, площадь поперечного сечения каждой из которых регулируется при помощи телескопических шарниров 8, установленных на боковых стенках 9 сушильных зон камеры, и винтовой шарнирный механизм 10. Боковые стенки выполнены телескопическими и состоят из разъемных секций, снабженных направляющими II и 12, которые контактируют между собой в вертикальной плоскости, шнековый питатель крепится к первой сушильной зоне при помощи гофрированной прокладки 13, а сушильные зоны камеры 7 соединены между собой жесткой перегородкой 14 с телескопическими шарнирами, аналогичными шарнирам 8. Работа правого и левого винтовых шарнирных механизмов в каждой из трех сушильных зон синхронизирована, т.е. при включении привода они с одинаковой скоростью перемещают боковые стенки либо к центру, либо, наоборот, от него. Нижняя горизонтальная перегородка 15 перемещается по направляющим 16. Боковые стенки первой сушильной зоны, которая находится внутри короба для отвода отработанного сушильного агента, выполнены сетчатыми. Все три сушильные зоны вертикальной камеры находятся внутри шахты 17, стенки которой рекомендуется покрыть теплоизоляционным материалом с целью уменьшения тепловых потерь.
Работа сушилки осуществляется следующим образом. Влажный солод с помощью шнекового питателя I загружается в первую сушильную зону. В зависимости от начальной влажности продукта стенки первой зоны с помощью винтового шарнирного механизма 10 и телескопических шарниров 8 синхронно перемещают по горизонтали и устанавливают рациональную толщину продуваемого слоя. Сушиль -ный агент, поступающий из подводящего короба 5 и прошедший третью и вторую зоны, проходит в первую зону, подсушивает материал и через перфорированные стенки зоны выходит в отводящий короб 6 и выбрасывается в атмосферу. Подсушенный материал под действием собственной массы переходит последовательно во вторую и третью сушильные зоны, где также продувается сушильным агентом и высушивается. Поперечное сечение каждой ступени сушильной камеры аналогично первой ступени устанавливается исходя из влажности материала и принятого режима сушки
