Введение к работе
Актуальность темы
Процессы сушки гранулированных материалов широко используются в различных отраслях промышленности и, как правило, являются энергоемкими. В процессе сушки некоторые из видов таких материалов при малых остаточных значениях влажности оказываются хрупкими и частично разрушаются. Характерный пример представляют процессы сушки гранул в крупнотоннажном производстве технического углерода. Низкая конечная прочность гранул осложняет управление процессом. Их частичное разрушение и рециркуляция образующейся в результате этого пыли в конечном итоге приводят к необходимости повторного высушивания части материала.
Энергообеспечение сушки осуществляется за счет сжигания природного газа. Уменьшение энергозатрат, требуемых для сушки, при сохранении или повышении показателей качества продукта - одна из важных отраслевых задач.
Основные теоретические положения сушки технического углерода, опирающиеся на фундаментальные исследования А. В. Лыкова, были разработаны в трудах В. М. Осипова, И. Г. Рябинкова, И. Г. Зайдмана. В 1970-80-х гг. отраслевые исследования были направлены на выявление эффективных технологий осуществления процесса. Вопросы его математического моделирования в этот период изучались в работах А. М. Волкова. Следует заметить, что в этих работах не рассматривались задачи управления сушильной установкой в целом, как совокупностью взаимосвязанных технологических аппаратов, не учитывалась рециркуляция материала, подвергающегося частичному разрушению. Между тем, на эффективность системного подхода, отражающего специфику взаимосвязи тепловых и материальных потоков сушки с возможностями автоматизированного управления сушильными установками, указывается в работах С. П. Рудобашты и С. Н. Малыгина
В настоящее время в силу сокращения деятельности или полной ликвидации отраслевых научно-исследовательских институтов основной путь поиска повышения энергетической эффективности производства - промышленный эксперимент. В промышленности технического углерода наибольшие успехи на этом пути достигнуты В. Ю. Орловым
Однако, будучи весьма затратным, промышленное экспериментирование фактически не предоставляет возможностей разработки систем управления перспективными, но к настоящему времени не нашедшими отраслевого применения технологиями, такими как «доулавливание» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания и сушка расходящимися потоками теплоносителя.
Для оценки таких возможностей целесообразно использование численного моделирования сушильных установок. Поэтому решаемая в диссертации задача повышения эффективности энергообеспечения сушки для используемых и перспективных технологий на основе совершенствования системы управления
тепловыми потоками с применением средств математического моделирования актуальна.
Цель работы. Разработка математических моделей и методов управления тепловыми потоками в сушильных установках, обеспечивающих возможности применения перспективных энергосберегающих технологий сушки гранулированных материалов термически и механически неустойчивых при малых значениях влажности, и повышение стабильности поддержания тепловых режимов. Для ее достижения решаются задачи:
анализа влияния способов управления тепловыми потоками, присущих различным технологиям сушки, на возможности интенсификации процессов и улучшения показателей качества высушенного материала;
построения математической модели описывающей процесс разрушения и уноса фракции мелких гранул;
изучения системных взаимосвязей, их влияния на процесс сушки и разработки математической модели сушильной установки как совокупности взаимосвязанных технологических аппаратов, для численной имитации действия и анализа работы предложенных схем управления;
разработки методов и схем управления потоками теплоносителя с учетом технологических связей между аппаратами сушильной установки и их численное моделирование.
Методы исследований. Для исследования проблемы и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, идентификации, математического программирования, оптимального управления, численного и аналитического решения интефо-дифференциальных уравнений. Научная новизна
В работе решены задачи повышения эффективности управления темпера-турно-влажностным режимом сушки в сушильных установках барабанного типа с учетом частичной рециркуляции высушиваемого материала. При их решении: установлено, что -
для энергоэффективного управления сушкой материалов с рециркуляцией разрушенных гранул следует максимизировать долю теплового потока, направляемого противотоком, в схеме прямоточно-противоточного движения теплоносителя;
на установке по производству технического углерода использование перспективной технологии «доулавливания» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания может быть обеспечено регулированием разрежения в сушильном барабане.
предложены —
математическое описание разрушения и уноса гранул для моделирования систем управления сушкой с рециркуляцией высушиваемого материала;
математическая модель сушильной установки как совокупности взаимосвязанных аппаратов для анализа эффективности управления рециркуляцией гранул и пыли;
введение в число компонент вектора управления значений расходов отра
ботанного теплоносителя и хладагента.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
математическая модель для расчета статики и динамики сушильной установки с рециркуляцией высушиваемого материала с учетом взаимодействия элементов (технологических аппаратов) этой установки,
метод управления сушильной установкой с учетом рециркуляции высушиваемого материала,
методы повышения ресурса управления за счет целенаправленного варьирования тепловыми потоками отработанного теплоносителя, выводимыми из барабана, и расширения температурного диапазона вводимых в барабан материальных потоков,
использование ячеечной математической модели сушильного барабана для расчета переходных и статических режимов систем автоматического управления в условиях применения различных схем распределения сушильного агента.
Практическая значимость
Для компьютерных систем управления сушкой технического углерода разработаны алгоритмы оценки в динамике не измеряемых непосредственно переменных состояния (технологического режима) сушильной установки и усовершенствованы алгоритмы расчета показателей качества сушки;
Предложены варианты схем и алгоритмов:
организации управления тепловыми потоками сушки с учетом рециркуляции высушиваемого материала;
автоматической стабилизации технологических режимов и показателей качества сушки.
Предложенные расчетные схемы и алгоритмы оценки влияния управления распределением тепловых потоков в сушильной установке переданы в ОАО «Ярославский технический углерод» и применяются в практике совершенствования управления технологическими процессами.
Разработанное программное обеспечение использовано при обучении студентов в группах целевой подготовки специалистов для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовых работах по математическому моделированию технологических процессов для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».
Апробация работы и публикации. Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международных научных конференциях:
"Математические методы в технике и технологиях": ММТТ-20, Ярославль 2007; ММТТ-21, Саратов 2008; ММТТ-23, Саратов 2010; Третья Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008», Москва-Тамбов;
Шестая межвузовская научно-методическая конференция «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» Ярославль 2008; Пятьдесят девятая, шестидесятая, шестьдесят первая, шестьдесят вторая, шестьдесят третья научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов Ярославского государственного технического университета.
Основные положения диссертации отражены в семнадцати публикациях, четыре из которых опубликованы в рецензируемых журналах ВАК РФ. Получены три патента Российской Федерации.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти основных глав, трёх приложений, 53 рисунков, 15 таблиц. Объем работы составляет 150 страниц, список использованных источников содержит ПО наименований.
