Разработка эффективных методов расчета энергосберегающих режимов Часть 2

1 2 3

---

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СУШКИ ХЛОПКА-СЫРЦА.

 

2.1 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА СУШКИ ХЛОПКА – СЫРЦА

 

В теории сушки материалов различают следующие процессы:

— влаго и — теплообмен, которые протекают на поверхности материала между высушиваемым материалом и окружающей средой;

— перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности в виде жидкости или пара.

Важным фактором при влаго — и теплообмене является состояние материала и окружающей среды. Процесс перемещения влаги внутри материала зависит от его свойств и строения, а также формы связи влаги с материалом.

Сушка является не только теплотехническим, но и технологическим процессом, влияющим на качество материалов, их хранение и переработку. Для каждого материала выбирают оптимальный способ сушки; параметры процесса сушки в этом случае должны быть рассчитаны на улучшение технологических результатов.

Газообразную среду (воздух или дымовые газы), которая в условиях непосредственного соприкосновения и теплообмена с высушиваемым материалом воспринимает удаляемую из его влагу, называют агентом сушки.

Среду, получающую теплоту от внешнего источника и передающую ее высушиваемому материалу, называют теплоносителем.

Аппарат, в котором происходит искусственная сушка материала с одновременным отведением агента сушки, поглотившего пары влаги, называется сушилкой.

Если сушка происходит при высокой температуре и незначительной скорости агента сушки, но при высокой влажности материала, то тогда уменьшение влагосодержания происходит медленно, так как температура на всех участках материала повсеместно постепенно повышается. Этот период постепенного повышения температуры есть начальная стадия (стадия прогрева) материала. Далее влагосодержание уменьшается во времени по линейному закону на постоянную величину. Температура поверхности материала при этом не изменяется, поскольку соответствует адиабатическому насыщению воздуха. Внутри же материала температура начинает повышаться медленнее и достигает температуры поверхности материала значительно позднее. Постоянной будет и интенсивность сушки материала, так как происходит неизменный теплообмен. Отсюда и название этого периода — период постоянной скорости, при которой наблюдается неизменная температура материала. Внутри материала происходит выравнивание температуры, и при достижении равновесного влагосодержания разница температуры у поверхности и внутри материала становится одинаковой. Дальнейшее повышение температуры агента сушки ведет к медленному влагоотбору. Период сушки, когда непрерывно повышается температура материала с непрерывным уменьшением скорости сушки, называется периодом падающей скорости.

Фактически основным признаком разного протекания процессов сушки является изменение температуры материала. Поэтому те же периоды различает как период постоянной температуры материала и период повышающей температуры материала.

Рассмотрим указанные периоды на графике, изображенном на рис. 8. На кривой сушки хлопка-сырца периоду постоянной температуры материала соответствует отрезок АБ (линейная зависимость), а периоду повышающейся температуры материала — отрезок БС (криволинейная зависимость). Период постоянной температуры материала у хлопка-сырца совмещается с периодом влажного состояния, и различная первоначальная влажность хлопка-сырца не влияет на характер отрезка АБ, так как темп влагоотдачи при сушке в этот период не зависит от первоначальной влажности и является постоянным во времени; зависимость же является прямолинейной.

С переходом хлопка-сырца от влажного в гигроскопическое состояние наступает первая критическая точка, которая характеризуется наступлением периода повышающейся температуры материала. Этот период, когда хлопок-сырец приобретает гигроскопическое состояние, подразделяется на два этапа:

— ненасыщенного состояния поверхности хлопка-сырца;

— перемещения влаги между отдельными компонентами хлопка-сырца.

На первом этапе (БВ) происходит уменьшение влагоотдачи в зависимости от времени сушки и кривая из прямолинейной становится криволинейной. Характерным здесь является то, что с течением времени при постоянных температурах агента сушки и скорости сушки влагоотдача уменьшается.

 

Рисунок 8 — Кривая сушки хлопка-сырца

 

Для второго этапа (ВС) характерно уже резкое падение интенсивности влагоотдачи; кривая сушки приобретает постепенно пологий уклон и в конце этапа имеет вид горизонтальной линии. Характер кривой сушки на этом участке зависит от скорости перемещения влаги из глубин компонентов хлопка-сырца на поверхность.

Равновесное состояние хлопка-сырца характеризуется прекращением процесса сушки; температуры хлопка-сырца и агента сушки равны, испарение влаги прекращается.

В процессе сушки до периода постоянной температуры имеется еще период прогрева, не заметный на приводимой кривой.

Кривые сушки хлопка-сырца различных сортов неодинаковы: чем ниже сорт хлопка-сырца, тем быстрее происходит влагоотдача.

 

2.2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА СУШКИ ВОЛОКНИСТОГО ПРОДУКТА (ХЛОПКА-СЫРЦА)

 

При хранении хлопка-сырца с влажностью более 13-14% и температуре окружающей среды выше 12-14° его температура повышается до 60-70° и выше. В семенах происходят биологические процессы, что может приводить к полной потере физико-механических свойств. При очистке  хлопка-сырца повышенной влажности снижается производительность оборудования (из-за забоев сепараторов, винтовых конвейеров, очистителей и колосниковых решеток джинов) [16].

При повышении влажности снижаются упругие свойства волокна, при этом сцепляемость с сорными примесями усиливается, вследствие чего при механическом воздействии волокно деформируется. Указанные причины приводят к образованию в волокне пороков и снижению очистительного эффекта при волокноотделении и волокноочистке.

Нормы кондиционной влажности устанавливаются из условий обеспечения длительной сохранности хлопка-сырца в хранилищах и бунтах, а нормы технологической влажности — из условий наиболее эффективного протекания технологического процесса, при котором достигается наилучшая очистка хлопка-сырца и волокна от сорных примесей, а волокноотделение и волокноочистка происходят с высокой производительностью и выпуском волокна с наименьшим содержанием пороков.

Технологическая влажность хлопка-сырца для первых сортов составляет 7-8%. Высушивать хлопок — сырец до влажности ниже 7% регламентированным технологическим процессом переработки хлопка-сырца не рекомендуется. Чтобы не допустить порчи хлопка-сырца при хранении, необходимо довести его влажность с помощью естественной или искусственной сушки до кондиционной, а чтобы обеспечить выпуск волокна высокого качества, хлопок-сырец при его очистке и волокноотделении следует подсушивать до технологической влажности.

Хлопок-сырец — многокомпонентный материал, состоит из хлопкового волокна и семян. Волокно содержит в основном целлюлозу, небольшое количество пектиновых веществ и восковое покрытие. Семена состоят из ядра и кожуры. Все эти компоненты имеют различное геометрическое и химическое строение, что оказывает большое влияние на протекание в них влагопоглощающих процессов из окружающей среды [17].

На рис. 9 представлены кривые скорости сушки хлопка-сырца и его компонентов, показывающие, что скорость сушки волокна значительно выше скорости сушки семян. На скорость сушки оказывает скорость теплоносителя.

Исследованиями, проведенными в ЦНИИХпроме, установлено, что при скорости теплоносителя υт= 0,7-1,45 м/с сушка хлопка-сырца происходит наиболее интенсивно[18].

Рисунок 9 — График скорости сушки хлопка-сырца и его компонентов

 

1 — волокно; 2 — хлопок-сырец; 3 — семена

Хлопок-сырец в обычных условиях, содержит абсолютно сухую массу и некоторое количество влаги, что можно представить в виде:

 

m= ma.c. + mв ,           (7)

где, m — масса влажного хлопка-сырца; ma.c. -масса абсолютно сухого хлопка-сырца; mв -масса воды, находящейся в хлопке-сырце.

 

Влажностью хлопка-сырца называется отношение массы содержащейся влаги к массе абсолютно сухого хлопка-сырца, выраженное в процентах:

ω= * 100% (8)

 

Влагосодержание хлопка-сырца — это отношение массы содержащейся в нем воды к массе абсолютно сухого хлопка-сырца:

uг= (9)

где, uг — максимальное гигроскопическое влагосодержание хлопка-сырца.

 

В зависимости от характера связи влаги с хлопком-сырцом и возможности ее удаления в процессе сушки различают влагу свободную и гигроскопическую, избыточную и равновесную.

Свободная влага наименее связана с хлопком-сырцом и представляет

собой осмотическую влагу, находящуюся в крупных порах, пустотах и

микрокапиллярах. Содержание свободной влаги uст в хлопке-сырце может

быть различным и определяется по формуле:

uст = u – uг, (10)

где, и — влажность окружающего воздуха.

 

Хлопок-сырец, находясь в воздушной среде, обладает способностью

испарять излишнюю влагу или впитывать недостающее количество водяных паров из воздуха до равновесной влажности. Эта способность называется гигроскопичностью Хлопок-сырец, содержащий свободную влагу, считается влажным (мокрым). Точка на пределе влажного и гигроскопического состояния хлопка-сырца называется гигроскопической точкой. Влагосодержание хлопка-сырца в этой точке — максимальное

(гигроскопическое). Гигроскопическая влажность хлопка-сырца в естественных условиях достигается за счет впитывания влаги из воздуха и за счет влаги, которая попадает на хлопок в жидком состоянии (роса, дождь).

Избыточная влага включает в себя свободную влагу и ту часть

гигроскопической влаги, которая может быть удалена из хлопка-сырца при

заданных условиях сушки.

Избыточная влага uи определяется по формуле:

uи = u – uр (11)

где, uр — равновесная влага хлопка-сырца.

 

Равновесным влагосодержанием называется влажность хлопка-сырца, которая устанавливается самопроизвольно в зависимости от условий окружающей среды.

При условии когда парциальное давление пара (Pп) у поверхности хлопка-сырца больше парциального давления пара окружающего воздуха (Pc), (Pc < Pп), то происходит отдача влаги хлопком-сырцом воздуху (процесс сушки). Если же давление пара у поверхности хлопка-сырца меньше парциального давления пара окружающего воздуха (рс>рп), то хлопок-сырец, обладая гигроскопичностью, впитывает влагу из воздуха (процесс сорбции).Процесс сушки или процесс сорбции хлопка-сырца прекращается при условии равенства парциальных давлений водяного пара у поверхности материала и окружающего воздуха (Pc = Pп ). Этому условию и соответствует момент равновесного состояния влажности хлопка-сырца при данной температуре и относительной влажности окружающего воздуха.

Среднее содержание влаги основных компонентов хлопка-сырца для средневолокнистых сортов в абсолютно сухом состоянии приведено в таблице 6[19].

Таблица 6 — Распределение влаги между компонентами хлопка-сырца

 

На рис. 10 показана зависимость влажности волокна, кожуры и ядра от влажности хлопка-сырца.

Допустимые колебания влажности хлопка-сырца после сушки находятся в следующих пределах (%):

I сорт —7—10; III сорт— 9—12,

II сорт —8—11; IV сорт—10—13.

Более высокие отклонения по влажности недопустимы, так как это

может привести к образованию очагов самосогревания хлопка-сырца и его порче.

Рисунок 10 — Зависимость влажности кожуры (1), ядра (2) и волокна (3) от влажности хлопка-сырца

При сушке изменяется масса хлопка-сырца т, его влажность ω и температура tм. Газообразную среду (воздух или дымовые газы), получающую теплоту от внешнего источника и передающую ее высушиваемому хлопку-сырцу, называют теплоносителем. В зависимости от направления движения теплоносителя и хлопка-сырца в сушилке различают: прямоток, когда теплоноситель и хлопок-сырец идут в одном направлении, и противоток, когда теплоноситель и хлопок-сырец идут в противоположных направлениях.

Состояние теплоносителя в различных частях сушилки характеризуется величинами: температурой t, относительной влажностью φ, влагосодержанием α и теплосодержанием J.

На рис. 11 представлена упрощенная схема процесса сушки хлопка-сырца. Теплоноситель из газовой топки 1 отсасывается вентилятором-дымососом 2 и по трубопроводу 3 нагнетается в сушильный барабан 4.

На трубопроводе горячего воздуха устанавливается питатель подачи влажного хлопка-сырца в сушилку 5. Влажный хлопок-сырец постепенно высушивается в барабане и после отдачи теплоносителю излишней влаги выходит  из сушилки через лоток 6, а охлажденный, насыщенный влагой теплоноситель уходит через трубу 7 в атмосферу. Подача влажного хлопка-сырца в сушилку и выход высушенного продукта происходят непрерывно.

Качество сушильного процесса и работа сушилки оценивается такими показателями, как влагоотбор, производительность по влаге и влажному хлопку-сырцу, равномерность сушки, очистительный эффект, расход тепла на килограмм испаренной влаги.

Влагоотбор показывает, какое количество влаги испарилось в сушилке в процентах к массе абсолютно сухого хлопка-сырца.

Определяется влагоотбор по формуле:

Δω=*100%; (12)

mcух = т1  = т2 (13)

где, т1 — масса хлопка-сырца поступившего в сушилку; т2 — масса высушенного хлопка-сырца; mcух — масса абсолютно сухого хлопка-сырца; ω1, ω2 — начальная и конечная влажность хлопка-сырца, %.

 

Количество испаренной влаги в хлопковой сушилке:

m = m1 – m2 (14)

Производительность сушилки по влажному хлопку-сырцу:

m1 =  [кг] (15)

 

Равномерность сушки один из важных критериев оценки работы

сушилки и качества сушильного процесса.

Неравномерно высушенный хлопок-сырец  сорбирует влагу из окружающего воздуха и при длительном хранении может подвергнуться локальному самосогреванию и порче. За критерий равномерности сушки принимается устанавливающееся в естественных условиях соотношение равновесной влажности между компонентами хлопка-сырца.

Рисунок 11 — Упрощенная функциональная схема процесса сушки хлопка-сырца

 

Равномерность сушки волокна, ядра семени и кожуры по отношению к влажности высушенного хлопка-сырца определяется коэффициентами ƞв , ƞя , ƞк 

Равномерность сушки составит соответственно: для волокна, семян, кожуры [20]:

ƞв = ; (16)

ƞя =   ; (17)

ƞк = , (18)

где, ,,– соответственно влажность волокна, ядра, семени и кожуры; , — соответственно парциальное давление пара у поверхности волокна и ядра семени.

 

Равномерность сушки считается удовлетворительной, если коэффициенты, вычисленные по формулам (16), (17) и (18), приближаются к единице.

В качестве теплоносителя для сушки хлопка-сырца применяется смесь продуктов сгорания природного газа с атмосферным воздухом либо дымовых газов. Исходя из требований сохранения природных качеств волокна и семян, достаточно высушить хлопок-сырец до его кондиционной влажности.

Предусмотрены следующие нормы влажности при сушке хлопка-сырца: 1, 2, 3 сорта – до влажности не выше 11%; 4 сорт – до влажности не выше 13%. Необходимо учитывать, что перед пуском в обработку хлопок–сырец еще будет подсушиваться в заводских сушильно-очистительных цехах до технологической влажности ω= 7-8%.

Сушка хлопка-сырца, влажность которого выше 20%, производится

дважды. Подсушка хлопка-сырца с влажностью 8% и менее не производится, если относительная влажность воздуха ниже 60%.

Температура теплоносителя при сушке хлопка-сырца устанавливается в зависимости от влажности хлопка-сырца перед пуском в сушилку и от конструкции сушилок (таблица 7) [21].

 

Таблица 7 — Допускаемая температура в зависимости от влажности хлопка-сырца и типа сушилки, 0С

Подсушка семенного хлопка-сырца средневолокнистых сортов до влажности w=7-8% производится в прямоточных сушилках типа 2СБ-10, включенных в непрерывный технологический процесс с температурой теплоносителя не выше 100°С и температурой нагрева семян не выше 40°С.

Температура нагрева хлопка-сырца зависит от его влажности и времени сушки. Во избежание пересушивания, вследствие чего температура может подняться выше допустимой, время нахождения хлопка-сырца в сушилке должно регулироваться. При очень высокой температуре теплоносителя (выше 105°С) хлопок-сырец быстро перегревается, влага полностью удаляется, волокно разлагается, образуя газообразные продукты сухой перегонки. Поэтому время сушки и температура теплоносителя выбираются такими, чтобы хлопок-сырец и его компоненты не перегревались. Для обеспечения сушилок необходимым количеством теплоносителя, нагретого до температуры 100-280°С, при сушильно-очистительных цехах монтируются топочные установки, работающие на  природном газе. Топочные установки обеспечивают полное сгорание топлива и подают в сушилку теплоноситель в виде смеси топочных газов и атмосферного воздуха. Топочная установка СТАМК-2 для сжигания тракторного керосина оснащена необходимыми средствами контроля, автоматической защитой и управлением. Топочные газы и смеси с атмосферным воздухом отсасываются из топочного агрегата вентилятором-дымососом  и нагнетаются по газоходу к сушильному барабану. На пути движения теплоносителя по газоходу установлены дымовая труба , шиберная заслонка и искроуловитель. При полном сгорании топлива топочные газы состоят из углекислого газа СО2, кислорода О2, водяных паров Н2О и двуокиси серы SО2 (если топливо содержит серу). При неполном сгорании в составе топочных газов появляются угарный газ СО, водород Н2, углеводороды и сажа. Теоретический объем воздуха для полного сжигания 1 кг топлива с практической точностью определяется по формуле:

L0 = 1.1 [м3 кг] , (19)

где, — низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг.

 

Фактическое количество воздуха устанавливается по формуле:

Lq = αL0, (20)

где, α — коэффициент избытка воздуха ( принимается равным 1,4-1,6.)

 

Среднее значение температуры горения в топке при сжигании:

природного газа 1300°-1350°С;

тракторного керосина 1100°-1300°С.

Коэффициент полезного действия топки определяется с учетом отдельных потерь в ней по формуле:

qm = 1-( q1 + q2 + ), (21)

где, ( q1 + q2 + )—соответственно относительные потери энергии от химически неполного сгорания топлива, от механической неполноты сгорания топлива, от излучения тепла во внешнюю среду. Коэффициент полезного действия топки типа СТАМК-2 колеблется в пределах 0,68-0,78.

 

Основным недостатком существующих технологий является отсутствие связи между количеством тепла, нагнетаемым вентилятором в барабан и температурой внутри барабана. Собственно, температура внутри барабана может является функцией различных факторов, например: интенсивности поступления хлопка-сырца в барабан, частоты вращения барабана и др. Для устранения данного недостатка возможно введение обратной связи между температурой внутри барабана и интенсивностью нагнетания количества тепла вентилятором. Очевидным является определение температуры внутри барабана через терморезистор и преобразование его в напряжение, подаваемое в систему управления двигателя постоянного тока (ДПТ), который управляет вентилятором подачи теплоносителя.

Для решения поставленной выше задачи необходимо осуществить:

— выбор привода постоянного тока для управления вентилятором подачи теплоносителя и исследование его пусковых и регулировочных характеристик;

— расчет усилителя мощности управления ДПТ, работающего в вентиляторном режиме.

Функциональная схема САР процессом сушки хлопка-сырца (рис.12) содержит следующие основные элементы: усилитель мощности (УМ); двигатель постоянного тока (ДПТ); редуктор (РЕД), осуществляющий механическую связь с вентилятором (В); серводвигатель (СД), управляющий заслонкой (З), установленной на трубопроводе, электронный усилитель (У); измерительный мост (ИМ); датчик температуры (ДТ).

Датчик температуры (терморезистор) установлен у входа сырья из барабана. Теплый воздух нагоняется в барабан из топочной установки через заслонку (З). Если температура в барабане равна заданной (нормативной), то разбаланс напряжения на выходе моста ( Δ U ) равен нулю и система находится в равновесном состоянии. При подаче в барабан влажного сырья  температура в последнем изменится. Изменится и сопротивление на выходе измерительного моста. Появится сигнал рассогласования (ΔU) положительной или отрицательной полярности. В зависимости от полярности ΔU серводвигатель, вращаясь в ту или другую сторону, открывает или закрывает заслонку, тем самым увеличивая или уменьшая поток теплоносителя в барабан. Однако, данная схема имеет ряд недостатков, главным из которых является невозможность с должной точность регулировать положение заслонки, т.к. механическая система, установленная в трубу большого диаметра, имеет значительную погрешность открытого и запертого состояния, что не позволяет обеспечить точность управления тепловыми потоками [23].

Авторами разработан более совершенный способ управления режимами сушки хлопка-сырца. Предлагается регулирование потока теплоносителя не с помощью заслонки, а с помощью изменения частоты вращения вентиляторов, установленных в двух теплопроводах между барабаном и топочной установкой (рис 12). Сушка хлопка-сырца при этом осуществляется двумя потоками. Один поток направлен непосредственно в сушильную камеру (В2), второй (В1) в сушильную камеру через поток поступающего хлопка-сырца [24].

Усовершенствованная система автоматического регулирования состоит из двух каналов. Первый канал состоит последовательно соединённых регулятора напряжения (РН1), параметрического асинхронного двигателя (АД1), редуктора (РЕД.1) и вентилятора (В1). Второй канал спроектирован аналогично первому и состоит из тех же элементов (РН2, АД2, РЕД.2, В2). Управление тепловыми потоками осуществляется от задающего сигнал устройства (ЗУ), в котором формируется задающий сигнал в зависимости от импульсов, поступающих от датчиков температуры (ДТ) и влажности хлопка-сырца.

Расчёт устойчивости и показателей качества процесса регулирования по двум каналам дутьевых вентиляторов сушильной установки (рис.13) осуществлен по методике, используемой авторами выше. Полученные результаты (рис. 14), указывают на устойчивое состояние САР и ее удовлетворительные показатели качества процесса регулирования.

В настоящее время для сушки волокнистых материалов, например хлопка-сырца, на хлопкозаводах  широко применяются барабанные сушилки типа 2СБ-10, СБО, СБТ, МС. Сушилки различаются внутренним конструктивным оформлением. Например,  сушилки 2СБ-10 и СБО оснащены тормозным устройством и продольными решетками, а в СБО и СБТ имеется дополнительно очистительная секция. Данные сушилки имеют высокие показатели производительности по влажному хлопку-сырцу, однако эффективность влагоотбора достаточно низка [25].

 

2.3 РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ХЛОПКА-СЫРЦА

 

Совершенствование управляемых электротехнических комплексов для сушки хлопка-сырца является актуальной задачей. С целью частичной модернизации существующей системы сушки волокнистого продукта (хлопка-сырца), проведен анализ работы барабанной сушилки типа 2СБ-10, схема которой представлена на рис. 15 а, б., где 1 – корпус сушилки, 2 – обечайка барабана, 3 – лопасти, 4 – слой хлопка-сырца на обечайке и на лопастях, 5 – траектории падения комков хлопка-сырца с лопастей, 6 – траектория движения хлопка-сырца вдоль оси барабана, 7 – устройство для подачи влажного хлопка-сырца вовнутрь камеры сушилки, 8 – выводное устройство.

Определены  наиболее характерные участки траектории движения хлопка-сырца в камере барабана. На рис.15а показана траектория падения комков хлопка с лопастей вращающего барабана. Хлопок начинает падать, когда угол наклона лопастей достигнет своего критического значения  угла трения. При вращении барабана, когда лопасть окажется в вертикальном положении, весь сырец сброшен вниз, т. е. подъем хлопка с лопастями длится не более половины оборота барабана. На рис.15б показана траектория движения хлопка вдоль оси барабана: АВ – участок траектории при загрузке хлопка-сырца, ВС – подъем хлопка-сырца на лопастях и обечайке барабана, СД – участок траектории при падении комков хлопка-сырца, и далее происходит повторение цикла.

При падении хлопка-сырца из верхней части барабана на него дополнительно действует поток горячего воздуха, поступающего по прямотоку и движущегося со скоростью Vв. Под действием воздуха частицы хлопка смещаются в осевом направлении на величину h за один цикл. Величина h зависит от скорости воздуха Vв и может быть величиной управляемой. Благодаря изменению величины h регулируется продолжительность нахождения хлопка-сырца внутри барабана. Это важнейший параметр, характеризующий эффективность работы барабанных сушилок [26].

                                  а                                                              б

Рисунок 15 — Конструктивная схема барабанной сушилки 2СБ-10:

а-поперечный разрез

б-продольный разрез сушилки

 

Проанализировав возможные траектории падения комков хлопка, установлено, что хлопок-сырец взаимодействует с элементами барабана лишь на половине его сечения (левая часть барабана), правая часть сечения барабана работает вхолостую. Значительное количество горячего воздуха, подаваемого в сушилку, проходит мимо хлопковой массы, что снижает энергетические показатели управляемого электротехнического комплекса (УЭТК). Таким образом, в существующих барабанных сушилках неэффективно используются как технологический (около 50%), так и теплотехнический объёмы. В итоге более половины горячего теплоносителя проходит минуя поток хлопка-сырца. Это главный недостаток существующих барабанных сушилок для хлопка-сырца. Более эффективное перемешивание волокон хлопка-сырца может быть достигнуто за счет применения эффективного конструктивного решения, предусматривающего использование сушильного барабана со специальными криволинейными лопастями (рис. 16). Предлагается поочередное размещение в корпусе-2 барабана-3 на поверхности обечайки как обычных прямых лопастей-3, так и криволинейных-4. Угол наклона α рабочих поверхностей лопастей 4 становится критическим при α ≥ ρ, где ρ — угол трения хлопка о лопасти близко расположенных к вертикальной оси барабана. Такое решение позволяет транспортировать частицы хлопка-сырца по широкому вееру траекторий после падения с лопастей (показатель b может равняться ширине сечения барабана). Комки хлопка-сырца сбрасываются прямыми лопастями в левой части барабанного пространства, а криволинейными — ближе к центру и в правой части. Данное  расположение лопастей позволяет снизить количество падающих комков, повысить удельные площади тепловоспринимающих поверхностей, наиболее полно использовать барабанное пространство и объёмы горячего воздуха, увеличить отбор влаги сушильным аппаратом.

Рисунок 16 — Барабан с расположенными на цилиндрической поверхности криволинейными лопастями

 

Повышение энергетической эффективности использования теплоносителя и технологического объёма сушильной камеры (СК) может быть достигнуто за счет совершенствования системы управления тепловыми потоками [27].

При участии автора разработаны функциональная и структурная схемы модернизированного способа сушки хлопка-сырца (рис 17; 18 а,б). Сущность конструкции сводится к следующему. Сушильная камера состоит из корпуса 1, цилиндрического барабана 2, лопастей 3. Внутри основного цилиндрического сушильного барабана монтируется малый сетчатый барабан 4, с закрепленными в наружной части лопастями 5. Основная часть горячего воздуха (теплоносителя) проходит в кольцевом зазоре между цилиндрическим и малым барабанами, 30–40% подается через малый сетчатый барабан в правую часть камеры. Хлопок-сырец с лопастей основного барабана транспортируется на поверхность малого сетчатого барабана, который с установленными на внешней поверхности лопастями, дополнительно транспортирует падающие комки хлопка-сырца в правую часть камеры основного барабана.

Цилиндрический и малый сетчатые барабаны имеют индивидуальные регулируемые параметрические электроприводы переменного тока (6,7), скоростные диаграммы которых определяются режимами сушки. Подача теплоносителя в правую и левую части сушильной камеры осуществляется с помощью калориферов (К2, К4) и центробежных вентиляторов (В2, В4), вращающихся от регулируемых энергосберегающих электроприводов (8) и (9).  Подача хлопка-сырца в сушильную камеру и его отбор после сушки, осуществляется транспортерами (ТР1, ТР2), линейная скорость которых регулируется электроприводами (10,11). Для разработки САР процессом сушки предусмотрены следующие датчики: датчик температуры теплоносителя внутри сушильной камеры (ДТ), датчики влажности хлопка-сырца на входе (ДВ1) и выходе (ДВ2) камеры, а также датчики частоты вращения (ДЧ1 и ДЧ2), обеспечивающие коррекцию скоростных режимов и интенсивность пуска и торможения УЭТК. Указанные электроприводы являются параметрическими, энергосберегающими переменного тока, выполненные на базе комплектных электроприводов серии КПЭ и состоящие из последовательно смонтированных модулей, реализующих схему: регулятор напряжения — асинхронный параметрический двигатель специальной конструкции — редуктор(привод барабанов).

По соответствующей функциональной схеме (рис. 17) разработана структурная схема системы автоматического регулирования процесса сушки хлопка-сырца (рис 18 а, б).

Предложенная система представляет из себя сложный многодвигательный управляемый электротехнический комплекс УЭТК, выполненный на базе комплектных параметрических электроприводов (ЭП) переменного тока с микропроцессорным управлением и типовых датчиков температуры, влажности и частоты вращения.

Система управления многодвигательным электроприводом спроектирован по модульному принципу: «Регулятор напряжения-асинхронный двигатель» специальной конструкции позволяет более рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, увеличением коэффициента полезного времени. Указанный электропривод позволяет реализовать программное управление частотой вращения многодвигательного электропривода в заданных пределах, а также обеспечить пусковые и тормозные режимы определенной интенсивности.

Разработанный управляемы электротехнический комплекс сушильной камеры (СК) должен обеспечить следующие основные требования эксплуатации.

Многодвигательный ЭП САР сушки хлопка-сырца должен обеспечить следующие основные требования [28].

1. Диапазон изменения частоты вращения сушильных барабанов должен быть равен диапазону изменения производительности.
2. Пуск двигателей приводов сушильных барабанов и вентиляторов подачи теплового агента должен быть синхронным, плавным с продолжительностью не более 5÷7 сек.
3. Электропривод сушильных барабанов должен обеспечить регулирование частоты вращения в диапазоне 5:1 и поддержание заданной частоты вращения с отклонением не более 0,5%.
4. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: в режиме стабилизации скоростных режимов цилиндрического и малого сетчатого барабанов сушильной камеры и в режиме обеспечения заданных температуры внутри сушильной камеры и влажности входящего и выходящего после сушки волокнистого материала. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать оптимальную частоту вращения с отклонением, равным 1÷2 %, кроме того система автоматического регулирования должна быть устойчивой во всех режимах и ограничивать имеющие место колебания температуры внутри сушильной камеры в установившимся режиме в пределах 2÷3 0С.
5. Задача проектирования сводится к разработке САР частоты вращения приводов вентиляторов подачи теплового агента в главный и малый сетчатые барабаны сушильной камеры и приводов цилиндрического и малого сетчатых барабанов с целью обеспечения реализации скоростных диаграмм в функции заданных значений температуры сушильного агента и влажности обрабатываемого волокнистого материала [29].

Разработанная система регулирования процессом сушки хлопка- сырца разделена на две пары управляемых электроприводов (рис 17).

Первая группа состоит: из привода цилиндрического (главного) барабана (6), состоящего из последовательно смонтированных регулятора напряжения (РН1), асинхронного двигателя (АД1) и редуктора (Р1). К этой группе относится электропривод (9) подачи сушильного агента в цилиндрический барабан, состоящий из последовательно соединенных модульных блоков регулятора напряжения (РН2), асинхронного двигателя (АД2),  редуктора (Р2), передающий вращательное движение центробежному вентилятору (В2). Указанная группа спроектирована для работы в следящем режиме. При включении ЭП  цилиндрического барабана частота вращения (АД1) будет расти, на выходе датчика частоты вращения (ДЧ1) появится напряжение, которое поступит в суммарное устройство (С1), куда одновременно направлен сигнал с блока задания (БЗ), сформированный таким образом сигнал поступает в систему управления ЭП  подачи сушильного агента в цилиндрический барабан.

 

 

Двигатель (АД2) начнет разгонятся и его частота вращения будет согласованно изменятся в соответствии с изменением частоты вращения (АД1). Осуществится одновременный пуск двигателей ЭП (6 и 9). Система будет работать в следующем режиме и отслеживать любое изменение влажности (ДВ2)  хлопка на входе сушильной камеры от заданного сигнала, формируемого в суммирующем устройстве (С2) из сигналов поступающих от каналов ЭП (6) и (9).

Вторая группа включает ЭП малого сетчатого барабана (7), состоящего из последовательно соединенных РН3, АД3, Р3 и электропривода (8) вентилятора (В4) подачи теплоносителя в полость малого сетчатого барабана, состоящего из РН4, АД4, Р4, В4. Вторая группа как и первая спроектирована относительно друг друга для работы в следящем режиме с целью обеспечения одновременного пуска электроприводов (7) и (8).

Сигнал управления второй группой ЭП формируется в С3 из сигнала задания, соответствующего текущей частоте вращения АД3, сигнал обратной связи по частоте вращения (ДЧ2) и сигнала фиксирующего  температуру теплоносителя (ДТ) в цилиндрическом барабане сушильной камеры. В суммирующем устройстве С4 осуществляется корректировка управляющего сигнала формируемого второй группой ЭП с учетом поступающих импульсов с датчика влажности (ДВ1), установленного на входе сушильной камеры.

В суммирующем устройстве С5 формируется результирующий сигнал управления режимными показателями процесса сушки волокнистого материала, состоящий из управляющих импульсов, поступающих от первой и второй групп ЭП, учитывающих текущую температуру внутри сушильной камеры и влажность поступающего в сушильную камеру волокнистого продукта.

 

 

 

2.4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СУШКИ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА

 

Методика выбора, анализа и расчета электромеханической системы с цифровым управлением процесса сушки волокнистого материала сводится к последовательной реализации элементов разработанной структуры исследования.

Главным стимулом развития процесса производства текстильных материалов служит достижение высокой производительности в неразрывной связи с качеством выпускаемой продукции на базе современного технологического оборудования, оснащенного управляемым электротехническим комплексом с широким использованием автоматизированного электропривода, электронных систем управления и микропроцессорной техники. Такие интегрированные системы применительно к производству первичной обработке волокнистых материалов обеспечивают автоматизированное управление процессом, позволяет осуществить направленный мониторинг всех технологических параметров и рабочих органов электромеханической системы управляемого комплекса. Как правило, используется двухуровневая система электронного управления, первый уровень предусматривает встроенный микропроцессор в каждой линии управления электроприводами, второй- предусматривает микро ЭВМ для координации управления процессом сушки волокнистых материалов [30].

Расчет устойчивости и показателей качества процесса регулирования по каналам дутьевых вентиляторов и двухдвигательного электропривода барабанов сушильной камеры осуществлен косвенными методами по стандартной программе в операционной системе «Matlab» в соответствии с разработанными функциональной и структурной схемами [31].

Учитывая, что свойства САР могут быть определены из частотных характеристик, определяемых по передаточным функциям (таблица 8), это делает характеристики наиболее удобным средством анализа и проектирования [32].

 

 

Таблица 8  – Передаточные функции элементов системы управления сушильной камеры.

Наиболее распространенным способом графического представления частотных характеристик является амплитудно-фазовая характеристика (АФХ)- диаграмма Найквиста. Частотный амплитудно-фазовый критерий является средством теоремы Коши и позволяет судить об устойчивости замкнутой системы посредствам исследования разомкнутой системы [33].

На рис. 19 представлена диаграмма Найквиста системы регулирования скоростными режимами сушильной камеры. Из анализа диаграммы разомкнутой системы видно, что точка (-1; +j0) не охватывается характеристикой, следовательно исследуемая САР является устойчивой. Для того, чтобы замкнутая система была устойчива, необходимо. чтобы все корни ее характеристического уравнения имели отрицательные вещественные части или, иначе говоря, лежали в левой комплексной полуплоскости как показано на карте нулей и полюсов (рис. 20).

Качество параметрически оптимизированного переходного процесса управления тепловым потоком исследовалось при подаче и снятия ступенчатого управляющего воздействия изменением скоростных режимов вентиляторов. Характеристика имеет плавный характер без перерегулирования. Установившейся процесс осуществляется не более чем 3÷5 с, что соответствует теплотехническому режиму сушки волокнистого продукта (рис.21). Импульсная переходная функция (рис.22) характеризует динамические свойства системы на воздействие в виде дельта-функции при нулевых начальных условиях. Функция выражает установившейся процесс в системе при любом воздействии в том случае, когда свободные колебания затухают [34].

Качественные показатели системы автоматического регулирования определены по ЛАФЧХ и диаграмме Никольса (рис. 23, 24) и сведены в таблице 8

 

Таблица 8 — Качественные показатели системы автоматического регулирования

 

Рисунок 19 — Диаграмма Найквиста

Рисунок 20 — Карта нулей и полюсов

Рисунок 21 — Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие

Рисунок 22 — Импульсная характеристика

Рисунок 23 — Диаграмма Боде

Рисунок 24 — диаграмма Никольса

 

 

 

ВЫВОДЫ

 

Осуществлен электротехнологический анализ энергоемкого сушильного оборудования с целью определения объекта исследования.

Определены научные направления и технологические решения обеспечивающие энергосбережение процессов сушки за счет оптимизации режимов эксплуатации электромеханических систем, включающие в себя экспериментально-теоретические исследования технологических режимов и параметров, энергетических характеристик и показателей асинхронных двигателей с многофункциональным регулятором напряжения.

Разработан более совершенный способ управления режимами сушки хлопка-сырца с помощью изменения частоты вращения вентиляторов, установленных в двух теплопроводах между барабаном и топочной установкой.

Разработаны функциональные и структурные схемы модернизированных систем управления тепловыми потоками в процессе сушки волокнистых материалов.

Выполнено проектирование УЭТК на базе современного оборудования, обеспечивающее процесс сушки волокнистого продукта.

Предложены технические решения по частичной модернизации управляемого электротехнического комплекса сушки хлопка-сырца. Составлена и направлена в Роспатент заявка на выдачу патента на полезную модель.

Осуществлен выбор элементов и проектирование САР процессом сушки хлопка-сырца.

---

1 2 3