Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие технического прогресса и наметившийся переход к рыночным отношениям в экономике страны определ .от концепцию существенного повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции на основе передовых достижений науки и техники, интенсификации производственных провесов, широкого внедрения автоматизированных систем управления и вычислительной техники. Эта концепция в полной мере относится к химической промышленности, перед которой проблема технического перевооружения стоит особенно остро, причем, как в части внедрения высоконнтенсивных технологий, так и в части комплексной автоматизации производственных процессов и оптимизации режимов работы аппаратов.
К числу научных направлений, призванных обеспечить качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на использовании электромагнитных (ЭМ) методов воздействия на химические реакции и процессы химической технологии. Задачами исследований в данной области являются разработка эффективных способов воздействия электрических и магнитных полей на процессы переноса и выдача рекомендаций по практическому применению ЭМ-поля в тепло- и массообменных процессах химической технологии..
Говоря об использовании энергии ЭМ-поля для интенсификации тепломассообменных (ТМО) процессов, прежде всего, следует выделить методы высокочастотного (ВЧ) и сперхвысокочастотного (СВЧ) нагрева диэлектрических материалов, которые позволяют резко ускорить проведение типовых процессов химической технологии (сушка, десорбция, термическая обработка), повысить производительность труда, существенно улучшить качество выпускаемой продукции. Значительные перспективы ВЧ-нагрев заключает в себе для целей разработки новых технологических процессов, а также в тех случаях, когда на основе традиционных технических решений не удается получить материалы с заданными свойствами. В этой связи особого внимания заслуживает новая область применения ЭМ-методов воздействия - обработка материалов полями повышенной напряженности. Физические особенности этих (рассматриваемых в диссертации) технических решений позволяй г отнести их к элементам технологии нового поколения.
Однако ВЧ-нагрев как направление интенсификации ТМО процессов до сих пор находит ограниченное практическое применение. В первую очередь это объясняется недостаточной изученностью механизма явлений, обусловленных действием полі, в результате чего не удаемся реализовать на практике все преимущества метода, обеспечить эффективную и надежную заботу установок. Проблемы разработки тепломассообменных процессов при внутреннем источнике тепла, а также повышения эффективности ВЧ-установок неразрывно связаны с автоматизацией, поскольку практическое осуществление ТМО процессов при ВЧ-нагреве практически невозможно без регулирования режима установки. Однако вопросы автоматизации ВЧ-установок, методы постановки и решения
зада-' управления ТМО процессами данного класса разработаны неудовлетворительно. Характерные черты действующих в промышленности установок - их низкий КПД, а также отсутствие даже элементарных средств контроля и автоматизации. До настоящего времени не разработана методология и отсутствуют примеры решения столь важных для практики задач оптимизации режимов работы ВЧ-установок и оптимизации тех юлогичсского процесса при нагреве токами высокой частоты.
Очевидно, что проблема решения всего перечисленного круга взаимосвязанных задач является актуальной.
Диссертационная работа выполнял .сь в соответствии с КП НИР АН СССР и РАН по теоретическим основам химической технологии на 1978-80 гг, 1981-85 гг, 1986-90 гг, 1991-95 гг (разделы 2.27.2. 19, 2.27.6.25, 2.27.19.9), Программой исследований АН СССР и РАН по важнейшим фундаментальным проблемам на 1978-90 гг и на период до 2000 г. (раздел 3.2 "Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии"), а также в рамках межвузовской НТП "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химико-технологическими пропс.лми" (1994-96 гг.).
Цель капоты. Интенсификация тспломассообменных процессов в системе газ-твердое путем воздействия ЭМ-поля высокой частоты, повышение эффективности ВЧ-установок и аппаратов на основе оптимизации их режимов работы и разработки систем автоматического управления.
Научная новімна. Иіучсньї закономерности тсшюмассопереноса в слое частиц и в іастице капиллярно-пористого материала при высокочастотном нагреве. Показано, что хотя основным видом переноса при 134-сушкс и в процессах, родственных ей, является фильтрационное движение пара (парогазовой смеси), интенсивность процесса в основном определяется мощностью внутренних источников тепла. Лишь в непродолжительной переходной области - области установления давления - скорость фазового превращения (пропорциональная мощности внутренних источников тепла) превышает скорость переноса (пропорциональную градиенту давления). Получены соотношения для расчета поля давлений в слое частиц и в частице капиллярно-пористого материала при ВЧ-нагревс.
Предложена физическая концепция о механизме влияния ВЧ-электрнческого поля повышенной напряженности на тепломассопсренос в пористых диэлектриках. Определены условия возникновения внутри материала дополнительного источника тепловыделения, обусловленного ионизацией гзла в порах (частичный разряд). Получены соотношения для расчета температурного градиента на стенке поры и поля температур в толще при совместном действии внутри материала источника тепла диэлектрической природы и дополнительного источника тепла термононизационпой природы. Предложены формулы для оценки влияния превышения температуры в толще гранулы над
температурой ее поверхности, достигаемого за счет энергии разрядов в порах, г.а интенсивность сушки.
Экспериментальным путем установлены эффекты влия"ия ВЧ-электрического поля на теьломассообкенные процессы; сдвиг критического влагосбдержания в сторону уменьшения при высокочастотной сушке, увеличение величины удельной поверхности и механической прочности гранул (синтез активного оксида алюминия в ВЧ-электрич^ском поле повышенной напряженности), термомехгническое действие поля на слой шарообразных частиц (декапсуляциг микросфер в ВЧ-электрическом поле повышенной напряженности).
Разработан способ автоматической оптимизации, позволяющий осуществить самонастройку ВЧ-установки в режим максимума КПД по информационному сигналу о текущем тангенсе угла диэлектрических потерь материала. Разработана методология решения взаимосвязанной задачи оптимизации технологического процесса при ВЧ-нагреве и оптимизации электрического режима ВЧ-ус;ановки.
Предложена классификация по группам ВЧ-установок как объектов управления и классификация задач автоматизации, отражающая кинетические закономерности тепломассообмешюго процесса и характер изменения ЭФ-свойств материала.
Разработаны и исследованы новые способы управления и автоматические системы -наиболее характерные варианты автоматизации тепломассообменных процессов при ВЧ-нагреве, обеспечивающие значительное улучшение их технико-экономических показателей:
быстродействующие устройства для самонастройки ВЧ-установки в оптимальный по КПД и субоптимальный режимы (общий, случай автоматизации ВЧ-устаповки-на примере объекта первой группы);
способ управления процессом конвективно-высокочастотной сушки и САУ дискретного действия с памятью, реализуемая на базе управляющей микро-ЭВМ (вариант автоматизации объекта первой группы);
нелинейная система стабилизации температуры' материала (автоматизация объекта второй группы);
система автоматизации с элементами адаптации для тепломассообменных процессов іивого класса - осуществляемых в полях повышенной напряженности (автоматизация объекта третоей группы).
Практическая ценность работы заключается:
в разработке новых эффективных способов проведення тепломассообменных процессов в ЭМ-поле высокой частоты н их аппаратурном оформлении (конвективно-высокочастотная сушка . ристаллогидратов, декапсуляция мнкросфер, формование теплоизоляции из пенополистирола, синтез активного оксида алюминия);
в разработке методики экспериментального определения основной электрофизической характеристики материала - тангенса угла диэлектрических потерь - и
тскуічего члагосодержания по мгновенным параметрам электрического режима ВЧ-установкн непосредственно при осуществлении технологического цикла;
в полученных на основе предложенных методик экспериментального исследования и теоретическим путем характеристиках ВЧ-установок по каналам управления и возмущения: напряжение на рабочем конденсаторе и напряжение анодного піп шия - температура материала, напряжение анодного питания - мощность в нагрузке, тангенс угла диэлектрических потерь - мощность в нагрузке;
в соотношениях, устанавливающих связь энергетических характеристик ВЧ-устаповки (электрический КПД, обгщм КПД) с электрическим режимом ее работы (режимы падаїощсіі, постоянной и возрастающей мощности внутренних источников тепла) в условиях возмущений по технологическим параметрам процесса;
в методиках расчета типовых массообменных процессов при ВЧ-нагреве, включающих методику предварительной настройки ВЧ-установкн (питающего генератора) в режим максимума КПД.
['оказаны технико-экономические преимущества, достигаемые за счет минимизации продо../,.иіелиюстн технологического цикла при ВЧ-нагреве и оптимизации электрического режима работы установки. Разработаны функциональные, структурные и принципиальные схемы автоматизации, в том числе: алгоритм управляющей программы и схема подключения управляющей микро-ЭВМ к объекту (конвективно-высокочастотная сушка кристаллогидратов), структурная схема устройства для автоматической опгимніацнн режима работы ВЧ-установки (формование пепополнетирола), структурная схема нелинейной сисіемьі стабилизации температуры и принципиальная схема автоматизации процесса (декапсуляция мнкросфер), функциональная схема системы программного регулирования напряжения на рабочем конденсаторе с элементами адаптации н принципиальная схема автоматизации процесса (термическое разложение гидрокепда алюминия в ВЧ-элсктричсском поле повышенной напряженности). Реализация результатов осуществлена путем внедрения в промышленность разработанных аппаратурни-технологических решений, систем и устройств автоматизации.
Автоматизированная установка для конвективно-высокочастотной сушки полупродукта катализатора обеспечивает по сравнению с ранее применявшейся технологией (сушилка с импульсным кипящим слоем) увеличение производительности в 8-10 раз снижение удельных затрат энергии в 7 раз, существенное улучшение качества готовой продукции. Экономический эффект за счет модернизации технологии (способ сушки в циклическом режиме при наложении ВЧ-электрического поля) составляет 618 тыс.руб. (1983 г.), за счет автоматизации - 179 тыс.руб (1983 г.). Применение оптимальной СЛУ даст самостоятельный эффект: уменьшение продолжи і ельности процесса на 13% и энергозатрат - на 16%.
Способ л аппарат для получения полых микросфер с оболочками из желатины обеспечивают по сравнению с ранее применявшейся технологией (вакуум-сушильные
устансжи) интенсификацию процесса декапсуляции в 40-70 раз, снижение брака готовой продукции на 8-10%. Экономический эффект от внедрения автоматизированной установки - 50 тыс.руб (1986 г.).
Способ получения активного оксида алюминия в ВЧ- электрическом поле повышенной напряженности принят к использованию (1989 г.) в производстве носителя и катализатора для дожигания выхлопных газов двигателей внутреннего сгора..ия и обеспечивает по сравнению с ранее применявшейся технологией (шкаф-электросушило и камерная печь сопротивления) интенсификацию процесса в 300-400 раз, резкое снижение энергозатрат, а также сокращение числа операций. Разработана (1990 г.) технологическая инструкция по приМепеш ю новой технологии, включающая схему автоматизации.
Промышленная ВЧ-установка ' для формования теплоизоляции корпуса холодильников "Ладога-4" и "Ладога-4-1" обеспечивает по сравнению с ранее применявшейся технологией (ВЧ-устаі:овка разработки ВНИИТВЧ им.В.П.Вологдина) интенсификацию процесса спекатіия в 2,5-3 раза, снижение энергозатрат на 11%, улучшение качества готовой теплоизоляции и повышение надежности работы оборудования. Применение устройства для автоматической оптимизации режима дополнительно приводит к сокращению времени формования в 1,35 раза и увеличению КПД установки в 1,68 раза (//общ = 0,7). При этом энергозатраты на испарение не превышают 1,3 кВт.ч/кг влаги. Экономический эффект от внедрения (только за счет увеличения производительности) составил 200 тыс.руб. (1991 г.). Эффективность предложенных технических решений подтверждена безотказной эксплуатацией оборудования (автоматизированная ВЧ-установка для формования теплоизоляции из пенополисгирола) в течение шести лет (1991-97 гг).
В целом результаты исследований, выводы и рекомендации можно рассматривать как комплексное решение крупной научно-технической проблемы интенсификации и повышения экономической эффективности тепломассообменных процессов при ВЧ-нагреве.
Апробация работы. Материалы и результаты диссертации доложены и обсуждены на респуб. каучн. конф. "Сушка и гранулирование продуктов микробиологического и тонкого химического синтеза" (Тамбов, 1981), III Всес. научн. конф. "Современные машины и аппараты хг.лических производств" - "Хнмтехника-83" (Ташкент, 1983), Всес. научн. конф. "Проблемы энергетики и теплотехнологии" (Москва, 1983), Всес. научн. конф. "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва, 1984), Всес. научь. конф. "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производив" (Харьков, 1945), Всес. научн. конф. "Современные проблемы химической технологии" ,-Срасноярск, 1986), III Всес. конф. "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1990), 1 Международн. совещании "Физика, химия и технология люминофоров" (Ставрополь, 1992), Международн. конф. "Математические методы в химии" (Тверь, 1995).
По материалам диссертации опубликовано 44 работы, в том числе 7 изобретений.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 452 стр., состоит из шести глав (не считая Введения и Выводов), содержит (в основном тексте) 80 рис., 16 табл., список литературы насчитывает 296 наименований. Приложения (на 179 стр.), сброшюрованные в отдельный том, состоят из 4 разделов и включают 34 рис., 63 табл.