Характеристика технологического комплекса сушки как управляемого объекта

Основные особенности технологических комплексов сушки, как объектов управления: инерционность, свойственная протеканию тепловых процессов, стохастичность процесса сушки при значительном уровне случайных возмущений и помех, сложность получения основного регулирующего воздействия, представительно отражающего изменения конечной влажности продукта (влажность определяется как усредненная величина, характеризующая продукт статистически), взрывоопасность, обусловливающая необходимость создания систем защиты, контроля и сигнализации.

Основными возмущающими воздействиями, оказывающими влияние на условия сушки и конечную влажность готового продукта, являются следующие изменения:

массового потока продукта и его начальной влажности, теплоты сгорания топлива, начальной температуры теплоносителя, коэффициента теплообмена в реакционной зоне из-за структурных изменений в последнем, например, обрастания материалом вращающегося барабана, коэффициента теплообмена в реакционной зоне из-за изменения температурного или аэродинамического режима при регулирующем воздействии на расход топлива, объем или температуру теплоносителя.

По степени влияния на основной параметр процесса - влажность высушенного продукта, входные параметры располагаются в следующем порядке: исходная влажность кека, расход кека, температура сушильного агента, расход топлива.

Как управляемый объект технологический комплекс сушки характеризуется следующими параметрами (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Схема технологического комплекса сушки как управляемого объекта

А. Входные: производительность комплекса по кеку Q_к; влажность кека w_k; гранулометрический состав кека α^к_-0.074; температура кека Т_к; расход топлива q_т; давление в топливной магистрали Р_т; температура топлива Т_т; теплоемкость топлива С_т; расход первичного воздуха Q_в1; давление в воздушной магистрали Р_в1; температура первичного воздуха Т_в1; расход вторичного воздуха Q_в2; температура вторичного воздуха Т_в2; частота вращения сушильного барабана n_б; положение направляющего аппарата дымососа α_д; неорганизованные подсосы воздуха Q_нп; температура окружающей среды Т_ос;

Б. Выходные: производительность комплекса по высушенному продукту q_п; влажность продукта w_п; температура отходящих газов Т_ог; разрежение в топке Р_тп; температура в сечении барабана Т_б; потери материала с отходящими газами q_м; содержание кислорода в отходящих газах α_о2; величина тока привода барабана I_б.

В качестве управляемых параметров могут использоваться: влажность высушенного продукта w_п; температура отходящих газов Т_ог; температура в топке Т_тп; температура газов в определенном сечении барабана Т_б; величина разрежения в топке Р_тп;

Основные возмущающие воздействия: влажность w_r и температура кека Т_к; гранулометрический состав кека α^к_-0.074; температура первичного Т_в1 и температура вторичного воздуха Т_в2; неорганизованные подсосы воздуха Q_нп; температура окружающей среды Т_ос.

Управляющими воздействиями могут служить: расход кека в комплексе Q_к; расход топлива q_т; расход вторичного воздуха Q_в2; положение направляющего аппарата дымососа α_д; частота вращения сушильного барабана n_б.

Помехами можно считать изменение теплоемкости топлива и материала.

Возможные каналы регулирования: «расход кека в сушилку – влажность высушенного материала»; «расход кека в сушилку – температура отходящих газов»; «расход топлива в топку – температура в топке (температура сушильного агента)»; «расход топлива в топку – температура в сечении барабана»; «расход топлива в топку – влажность высушенного продукта»; «расход топлива в топку – температура отходящих газов»; «положение направляющего аппарата дымососа – разрежение в топке». Использование расхода кека в большинстве случаев невозможно из-за отсутствия промежуточной емкости между технологическими комплексами фильтрования и сушки.

Основным элементом технологического комплекса сушки является сушильный барабан. Он характеризуется значительными инерционностью и запаздыванием, а также воздействием большого числа возмущений, изменяющихся случайно. Он работает как теплообменник, в котором должна быть обеспечена передача тепла от газа к материалу и как транспортное устройство, которое должно пропускать заданное количество материала.

Сушильный барабан и шахтное сушило – статические нелинейные объекты, характеристики которых можно линеаризовать в рабочих диапазонах изменений входных параметров.

На рис. 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 представлены экспериментальные статические и динамические характеристики шахтной сушильной печи, а на рис. 3.8 представлены экспериментальные переходные характеристики сушильного барабана, длина которого равна 27 м и диаметр 3,5 м.

Рис. 3.4 Статическая характеристика шахтной печи по каналу: «производительность по исходной руде – влажность сухой руды»

Рис. 3.5 Статическая характеристика шахтной печи по каналу: «температура в топке – влажность сухой руды»

Рис. 3.6 Статическая характеристика шахтной печи по каналу: «Производительность по руде – температура отходящих газов».

а)	б)
в)	г)

Рис. 3.7 Экспериментальные переходные характеристики вертикальной сушильной установки по каналам: а) «Расход топлива –температура отходящих газов»; б) «Расход топлива – влажность сухой руды»; в) «Производительность по руде – температура отходящих газов»; г) «Производительность по руде – влажность сухой руды».

Рис. 3.8Экспериментальные переходные характеристики сушильного барабана по каналам: 1 – «температура сушильного агента на входе в барабан - влажность высушенного материала, к = 2,01»; 2 – «количество влаги в материале в загрузке - температура газов в барабане, к = 0,1»; 3 – «скорость сушильного агента — влажность высушенного материала, к = 0,55»: 4 – «количество влаги в материале в загрузке - влажность высушенного материала, к = 1,138»; 5 – «температура сушильного агента - температура газов в барабане, к — 0,7»;6 –«скорость сушильного агента - температура его в барабане, к = 0,7»; у(t) - общее обозначение выходного показателя.

Из динамических характеристик сушильного барабана, полученных экспериментально, видно, что он является объектом с ярко выраженными распределенными свойствами по длине барабана. Такие объекты описываются обычно дифференциальными уравнениями в частных производных типа.

; (3.1)

где w - влажность материала; υ_м-скорость перемещения материала по длине барабана; f(w)-зависимость скорости сушки от влажности; - коэффициент массообмена; Ɩ-координата длины барабана; d_м-влагосодержание насыщенного воздуха при температуре материала.

Использование таких уравнений в инженерной практике затруднительно. Для практических расчетов можно применять обычные дифференциальные уравнения, коэффициенты которых представляют собой сосредоточенные параметры системы.

Для облегчения задачи примем в качестве управляющего воздействия расход сушильного агента, а не расход топлива, как действительности. Предположим также, что топка имеет достаточный запас мощности и режим ее работы не сказывается на режиме сушки.

В установившемся режиме приток и расход топлива в элементе объема барабана равны. Тепло в барабан поступает:

а) с сушильным агрегатом

; (3.2)

б) с сухой частью материала

; (3.3)

в) с влагой, вносимой материалом

; (3.4)

где q_a-объёмный расход сушильного агента, м³/ч, с_а - средняя объемная теплоемкость агента, Дж/(м³К); t_а- начальная температура агента, К; q_к -массовой расход материала, кг/ч; w_к- начальная относительная влажность материала, %; с_к - удельная теплоемкость материала, Дж/(кгК).

Тепло расходуется:

а) с уходящим сушильным агентом

; (3.5)

б) с уходящим высушенным материалом

; (3.6)

в) с уходящей влагой

; (3.7)

г) на испарение влаги

; (3.8)

где Т_г- конечная температура сушильного агента, К;q_k - массовый расход высушенного материала, кг/ч; w_п- конечная относительная влажность материала, %; - конечная температура материала, К; r- удельная теплота парообразования, Дж/кг.

При внесении возмущения нарушается баланс между притоком и расходом тепла. Элементарный объем агента, заключенный в исследуемом участке барабана, получает изменение энергии, равное дебалансу тепла за время dt.

;(3.9)

или

; (3.10)

где Δl - длина исследуемого участка барабана, м;s - площадь сечения барабана, м².

Уравнение представляет математическую модель процесса сушки, которая может использоваться при исследовании принципов автоматического управления процессом.