Разработка программного обеспечения нахождения максимальной производительности вытяжного вентилятора в сушилке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В технике сушке подвергается множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурой, свойствами, содержанием и формой связи влаги с материалом и т. д. В химической промышленности процесс массо- и теплопереноса при сушке иногда осложняются протекающими одновременно химическими реакциями.

С этим связан рациональный выбор способа сушки, типа сушильной установки и конструкции сушильного аппарата.

Выбор аппаратурного оформления стадии хтс, включающей барабанную сушилку и воздушный калорифер, без какой-либо автоматизации представляет трудоемкий и долгий процесс - нужно из десятков аппаратов отобрать только несколько, удовлетворяющих заданным условиям. Расчёт процесса конвективной сушки тоже представляет из себя сложную задачу - необходимо не только рассчитать параметры процесса, но и систематизировать и сохранить полученные результаты.

Повышение эффективности решения вышеперечисленных задач является целью данной работы, т. е. разработка программного комплекса, позволяющего спроектировать стадию хтс (конвективная сушилка и калорифер), а также проанализировать полученные результаты проектирования.

1 Аналитический обзор

1.1 Классификация процессов сушки

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов удешевляет их транспортировку и придает им определенные свойства, а также уменьшению коррозии аппаратуры. Влагу можно удалять механическим способом: отжим, центрифугирование, отстаивание. Однако этими способами влага удаляется частично, более тщательное удаление влаги осуществляется путём тепловой сушки: испарение влаги, удаление паров [1, 2, 3].

Процесс тепловой сушки может быть естественным и искусственным. Естественная сушка применяется редко. По физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом. Его скорость определяется скоростью диффузии влаги из глубинных частей материала к поверхности, а затем в окружающую среду. Удаление влаги при сушке включает не только перенос материала, но и перенос тепла, таким образом является теплообменным и массообменным процессами. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу сушку делят:

контактная - путём передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделительную стенку;

конвективная - путём непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом. В качестве которого используют: подогретый воздух, топочные газы либо топочные газы с воздухом;

радиационная - путём передачи тепла инфракрасным излучением;

диэлектрическая - в поле токов высокой частоты;

сублимационная - в замороженном состоянии в вакууме.

1.2 Классификация сушилок

Для сушки применяют разнообразные сушилки, отличающиеся по ряду признаков которые положены в основу классификации, приведённой ниже [2, 3]:

Таблица 1

Классификация сушилок

Признак классификации	Типы сушилок
Давление в рабочем пространстве	Атмосферные, вакуумные, под избыточным давлением.
Режим работы	Периодического и непериодического действия.
Вид теплоносителя	Воздушные, на дымовых или инертных газах, на насыщенном или перегретом паре, на жидких теплоносителях.
Направление движения теплоносителя относительно материала	Прямоточные, противоточные, с перекрёстным током, реверсивные.
Характер циркуляции теплоносителя	С естественной и принудительной циркуляцией.
Способ нагревания теплоносителя	С паровыми воздухонагревателями, с топочными устройствами, с электронагревателями, комбинированные.
Краткость использования теплоносителя	Прямоточные или рециркуляционные.
Признак классификации	Типы сушилок
Способ удаления влаги из сушилки	С отходящим теплоносителем, с продувочным воздухом, компенсационные, с химическим поглощением влаги.
Способ подвода тепла к материалу	Конвективные, контактные, с нагревом токами высокой частоты, с лучистым нагревом, с акустически или ультразвуковым нагревом.
Вид высушиваемого материала	Для крупно дисперсных, тонкодисперсных, пылевидных, ленточных, пастообразных, жидких растворов или суспензий.
Гидродинамический режим	С плотным неподвижным слоем, перемешиваемым слоем, взвешаным слоем (псевдосжиженый слой, закрученные потоки), с распылением в потоке теплоносителя.
Конструктивный тип сушилки.	Камерные, шахтные, ленточные, барабанные, трубные и т. д.

1.3 Калорифер

В системах кондиционирования воздуха, вентиляции, воздушного отопления и в сушильных установках применяются калориферы с теплоносителем (горячая вода или пар) [4]. В химической технологии наибольшее распространение получили паровые калориферы.

Паровые калориферы применяют для подогрева воздуха до 150С (давление греющего пара в этом случае должно быть > 0, 6 МПа, т. е. 6 атм). Такие калориферы состоят из ряда трубок, по которым проходит греющий пар, а снаружи - подогреваемый воздух. Поскольку коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в несколько сот раз выше, чем от стенки к воздуху, поверхность калорифера соприкасающуюся с воздухом, следует делать во много раз больше поверхности, обогреваемой паром. Поэтому трубки калорифера снабжаются ребрами или пластинами. Наибольшее распространение получили пластинчатые калориферы, состоящие из пучка параллельных трубок диаметром около 30 мм, на которые на расстоянии 5 мм одна от другой насажены прямоугольные пластины толщиной приблизительно 1 мм. Концы труб ввальцовываются или ввариваются в стальные доски-решетки. Для удобства сборки на отдельных секциях имеются рамки из угловой стали. В среднем коэффициенты теплоотдачи можно принимать равными 23-35 Вт/ (м2*К) при скоростях воздуха от 2 до 12 м/с. Размеры калориферов зависят от производительности и колеблются в широких пределах.

Достоинство таких подогревателей - небольшое гидравлическое сопротивление (приблизительно 200 - 800 Па, т. е. 20-80 мм вод. ст). Недостатками их являются неравномерное распределение поступающего воздуха, т. е. образование застойных зон, в результате чего температура выходящего воздуха оказывается ниже рассчитанной, а также возможность загрязнения поверхности со стороны воздуха, что приводит к необходимости остановки аппарата для его чистки.

1.4 Технологическая схема сушильной установки

Принципиальная схема прямоточной барабанной сушильной установки показана на рисунке 1 [4]. Влажный материал из бункера Б1 с помощью дозатора Д подается во вращающийся сушильный барабан БС. Параллельно материалу в сушилку подается сушильный агент, образующийся в калорифере К. Воздух в калорифер К подается вентиляторами B1 и B2. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в бункер Б2, а из него на транспортирующее устройство ЛТ.

Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне Ц. При необходимости производится дополнительное мокрое пылеулавливание.

Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора В3. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

Рисунок 1 - Технологическая схема сушильной установки: БС - барабан сушильный; Б1 - бункер влажного материала; Д - дозатор; К - калорифер; B1, В2, В3 - вентиляторы; Б2 - бункер высушенного материала; Ц - циклон; ЛТ - ленточный транспортер.

Наименование среды в трубопроводе: 3 - воздух; 31 - влажный материал; 32 - сухой материал; 33 - сушильный агент; 34 - отработанные газы.

2. Цели и задачи

сушильная установка калорифер

Целью курсового проектирования является создание автоматизированной системы, позволяющей спроектировать стадию хтс (конвективная сушилка и калорифер), а также проанализировать полученные результаты проектирования.

Разработанная автоматизированная система позволит снизить трудоемкость и повысить эффективность (качества, оперативности) решения задач синтеза и анализа проектных решений стадии хтс, включающей сушилку и калорифер.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

разработка базы данных конструктивно-технологических характеристик калориферов;

разработка базы данных конструктивно-технологических характеристик барабанных сушилок;

математическое описание процесса конвективной сушки в проектируемой сушильной установке;

разработка программного комплекса синтеза и анализа проектных решений стадии хтс, включающей барабанную сушилку и калорифер;

тестирование работоспособности программного комплекса;

оформление документации по курсовому проектированию (пояснительной записки).

3. Технологическая часть

Формализованное описание автоматизированной системы синтеза и анализа проектных решений стадии хтс, включающей барабанную сушилку и калорифер, как объекта проектирования

Формализованное описание процесса выбора калорифера из БД конструктивно-технологических характеристик калориферов как объекта проектирования представлено на рисунке 2.

Y1= {Nk }

X1= {Np1, Pv1}

3.1 Процесс выбора калорифера из БД конструктивно-технологических характеристик калориферов

V1= {n1, minP1, maxP1}

X1= {Np1, Pv1} - вектор входных параметров,

где Np1 - количество доступных параметров;

Pv1 - значение параметра.

V1= {n1, minP1, maxP1} - вектор варьируемых параметров,

где n1 - количество выбранных параметров;

minP1 - минимальное значение выбранного параметра;

maxP1 - максимальное значение выбранного параметра.

Y1= {Nk} - вектор выходных параметров,

где Nk - количество калориферов, удовлетворяющих условиям поиска.

Формализованное описание процесса выбора сушилки из БД конструктивно-технологических характеристик сушилок как объекта проектирования представлено на рисунке 3.

V2= {n2, minP2, maxP2}

Процесс выбора сушилки из БД конструктивно-технологических характеристик сушилок

Y2= {Ns }

X2= {Np2, Pv2}

X2= {Np2, Pv2} - вектор входных параметров,

где Np2 - количество доступных параметров;

Pv2 - значение параметра.

V2= {n2, minP2, maxP2} - вектор варьируемых параметров,

где n2 - количество выбранных параметров;

minP2 - минимальное значение выбранного параметра;

maxP2 - максимальное значение выбранного параметра.

Y2= {Ns} - вектор выходных параметров,

где Ns - количество калориферов, удовлетворяющих условиям поиска.

Постановка задачи синтеза проектного решения стадии хтс, включающей сушилку и калорифер.

Для заданных входных характеристик X1 и X2 с использованием программного комплекса и изменения варьируемых параметров V1 и V2 осуществить выбор из БД конструктивно-технологических характеристик модели калориферов и сушилок.

Формализованное описание процесса конвективной сушки как объекта проектирования представлено на рисунке 4.

Y3= { W, G, I0, I1, In, I2, qm, Д, x2, L, A, Vb, ф, Q, Gp, Vp, Ks, Дt, Q1, ц, ДPa}

X3= {t11, t12, t21, t22, x1, CB, tp, rp, Cp, tm1, tm2, Cm, Pn, Gcyx, в, qпот, w1, w2 }

V3= {ДPa доп, цдоп }

X3= {t11, t12, t21, t22, x1, CB, tp, rp, Cp, tm1, tm2, Cm, Pn, Gcyx, в, qпот, w1, w2 } - вектор входных параметров,

где t11 - температура воздуха на входе в калорифер, С;

t12 - температура воздуха на выходе из калорифера, С;

t21 - температура воздуха на входе в сушилку, С;

t22 - температура воздуха на выходе из сушилки, С;

x1 - влагосодержание воздуха на входе в калорифер, кг вл. /кг а. с. в. ;

CB - теплоемкость воздуха, кДж/ (кг·K) ;

tp - температура греющего пара, C;

rp - скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

Cp - теплоемкость пара, кДж/ (кг·K) ;

tm1 - начальная температура материала, С;

tm2 - конечная температура материала, С;

Cm - теплоемкость материала, кДж/ (кг·K) ;

Pn - насыпная плотность материала, кг/м3;

Gcyx - производительность по сухому материалу, кг/ч;

в - коэффициент заполнения барабана, %;

qпот - потери тепла, кДж/кг;

w1 - начальное влагосодержание материала, %;

w2 - конечное влагосодержание материала, %;

Fф - площадь фронтального сечения в калорифере, м2;

A - коэффициент для калорифера;

n - коэффициент для калорифера;

r - коэффициент для калорифера;

l - длина теплоотдающего элемента калорифера, м;

Fк - площадь поверхности нагрева в калорифере, м2;

B - коэффициент для калорифера;

m - коэффициент для калорифера;

Lb - длина барабана сушилки, м;

Db - диаметр барабана сушилки, м;

r0 - теплота парообразования при 0 С, кДж/кг.

V3= {ДPa доп, цдоп } - вектор варьируемых параметров,

где ДPa доп - допустимое аэродинамическое сопротивление, Па;

цдоп - допустимый запас площади поверхности нагрева, %.

Y3= { W, G, I0, I1, In, I2, qm, Д, x2, L, A, Vb, ф, Q, Gp, Vp, Ks, Дt, Q1, ц, ДPa} - вектор выходных параметров,

где W - количество испаренной влаги, кг/ч;

G - количество исходного влажного материала, кг/ч;

I0 - энтальпия наружного воздуха, кДж/кг;

I1 - энтальпия нагретого воздуха, кДж/кг;

In - энтальпия пара, кДж/кг;

I2 - энтальпия влажного воздуха, кДж/кг;

qm - удельный расход теплоты на нагрев материала, кДж/кг;

Д - изменение потенциала воздуха относительно испарившейся влаги, кДж/кг;

x2 - влагосодержание воздуха на выходе из сушилки, кг вл. /кг а. с. в. ;

L - расход воздуха, кг/ч;

A - напряжение сушилки по влаге, кг/ (м3·ч) ;

Vb - рабочий объем барабана, м3;

ф - время пребывания материала в сушилке, ч;

Q - теплота по воздушной стороне, Вт;

Gp - расход пара, кг/ч;

Vp - массовая скорость воздуха, кг/ (м3·с) ;

Ks - коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2·К) ;

Дt - температурный напор, С;

Q1 - тепловая мощность калорифера, Вт;

ц - запас площади поверхности нагрева, %;

ДPa - аэродинамическое сопротивление, Па.

Постановка задачи анализа проектного решения стадии хтс, включающей барабанную сушилку и калорифер. Для заданных входных характеристик X3 с использованием программного комплекса провести расчет спроектированной сушильной установки (калорифер и барабанная сушилка) - рассчитать количество испаренной влаги W, количество исходного влажного материала G, расход воздуха L, напряжение сушилки по влаге A, рабочий объем барабана Vb, время пребывания материала в сушилке ф, теплоту по воздушной стороне Q, расход пара Gp, массовую скорость воздуха Vp, коэффициент теплопередачи Ks, тепловую мощность калорифера Q1, запас площади поверхности нагрева ц, аэродинамическое сопротивление ДPa.

3.2 Функциональная структура программного комплекса

Функциональная структура проектируемого программного комплекса представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Функциональная структура программного комплекса

3.4 Внешний и внутренний интерфейсы программного комплекса

В разрабатываемом программном комплексе реализованы интерфейсы проектировщика и администратора.

Разработанные интерфейсы обеспечивают функционал, представленный на рисунках 4 и 5 в виде UML-диаграмм прецедентов использования модуля проектировщика и администратора соответственно.



Рисунок 4 - Диаграмма прецедентов использования модуля проектировщика

Рисунок 5 - Диаграмма прецедентов использования модуля администратора

Внутренний интерфейс программного комплекса представляет собой связь между базой данных и программным обеспечением. Проведем краткий обзор программного интерфейса для доступа к данным из приложений - ADO.

Microsoft ActiveX Data Objects (ADO) - это программный интерфейс для доступа к данным из приложений. С точки зрения программирования ADO и его расширения представляют собой упрощенный высокоуровневый объектно-ориентированный интерфейс к OLE DB, который облегчает программирование доступа к данным. Сохраняя мощь OLE DB, ADO в значительной мере упрощает использование этой технологии и делает ее доступной из широкого спектра средств разработки.

В данном проекте использовался класс Connection, который нам представляет интерфейс ADO. Connection используется для представления связи с источником данных, а также для обработки команд и транзакций.

3.5 Алгоритм расчета ХТС

Алгоритм расчета спроектированной ХТС представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма расчета спроектированной ХТС

3.6 Выводы

В результате исследования объекта проектирования были составлены формализованное описание процесса выбора калорифера и сушилки из БД конструктивно-технологических характеристик аппаратов (рисунки 2 и 3) и формализованное описание процесса конвективной сушки (рисунок 4). Также были сформулированы постановка задачи синтеза проектного решения ХТС и постановка задачи анализа проектного решения ХТС, описана математическая модель конвективной сушки с помощью барабанной сушилки и парового калорифера.

4. Экспериментальная часть

4.1 Характеристика программного обеспечения и технических средств

Конфигурация аппаратного обеспечения, на котором проводилось тестирование программного комплекса, приведена в таблице 2.

Таблица 2

Характеристика аппаратного обеспечения

Аппаратное обеспечение	Процессор: Intel Pentium 4, 3215 MHz; ОЗУ: 1, 5 Гб DDRII; Жесткий магнитный диск: 112 Гб; Видеоадаптер: ATI Radeon X1300 512 Мб Разрешение экрана 1280x1024; Оптический привод; Мышь, клавиатура.

Характеристика использованного при разработке программного обеспечения (ПО) представлена в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика программного обеспечения

Системное ПО	Операционная система Windows XP SP3 - операционная система семейства Windows NT корпорации Microsoft.
Среда разработки	Embarcadero C++ Builder 2010 - комплект разработчика приложений на языке C++, включающий в себя компилятор C++, стандартные библиотеки классов C++, примеры, документацию, различные утилиты.
Прикладное ПО	Microsoft Office Word 2007 - текстовый процессор, предназначенный для создания, просмотра и редактирования текстовых документов, с локальным применением простейших форм таблично-матричных алгоритмов. Microsoft Office Visio 2007 - редактор диаграмм и блок-схем для Windows. Использует векторную графику для создания диаграмм. Smart Install Maker - утилита для создания установочного файла программного комплекса.

4.2 Тестовый пример

Рисунок 7 - Внешний вид программы

5. Заключение и выводы

В рамках выполнения курсового проекта была поставлена цель разработки автоматизированной системы, позволяющей спроектировать стадию хтс (конвективная сушилка и калорифер), а также проанализировать полученные результаты проектирования. АС позволяет снизить трудоемкость и повысить эффективность решения задач синтеза и анализа проектных решений для химико-технологической стадии, включающей сушилку и калорифер.

В ходе выполнения курсового проекта для достижения поставленной цели была разработана база данных калориферов и сушилок, включающая информацию о конструктивно-технологических параметрах калориферов и сушилок, а также математическая модель процесса конвективной сушки с помощью барабанной сушилки и парового калорифера. Для создания организованного доступа к базам данных был разработан программный комплекс, обеспечивающий модификацию и заполнение БД. Разработанный программный комплекс позволяет осуществить синтез аппаратурного оформления ХТС, включающей барабанную сушилку и калорифер (т. е. выбор калорифера и сушилки согласно исходным данным) и позволяет осуществить расчет спроектированной ХТС по математической модели конвективной сушки (т. е поверочный расчет ХТС). Результаты расчетов представляются в виде сравнительной таблицы, при превышении допустимых значений для аэродинамического сопротивления и запаса площади поверхности нагрева выводится предупреждение. Программный комплекс имеет возможность экспорта результатов проектирования в отчет. Таким образом, выполнение данного проекта повысило наглядность и простоту работы проектировщика с процессом синтеза и анализа проектного решения ХТС, включающей барабанную сушилку и паровой калорифер. Тестирование программного комплекса, которое проводилось на основе технологических параметров для процесса сушки кристаллов лимонной кислоты, выявило, что наиболее всего на выходные параметры влияют конструктивные характеристики барабанной сушилки и заданная производительность по сухому материалу.

Программное обеспечение работает под управлением ОС семейства Microsoft Windows (XP/Vista/Seven), которые обладают приемлемой степенью устойчивости в работе и позволяют реализовать весь заявленный программный функционал.

Базовый язык программирования - C++, являющийся гибким объектно-ориентированным языком программирования, предоставляющим все возможности для разработки и реализации необходимых для решения поставленной задачи структур данных и алгоритмов.

Среда разработки программного кода и графического интерфейса - Embarcadero С++ Builder 2010. Эта среда позволяет создавать эргономичный пользовательский интерфейс, предоставляя возможность реализовывать многие стандартные элементы графического интерфейса в стиле ОС семейства Windows. В процессе разработки программного комлпекса использовались пакеты компонентов для С++ Builder 2010 сторонних разработчиков: система отчетов Fast Report, набор компонентов фирмы TMS. Разработка информационного обеспечения проводилась с использованием визуальной среды разработки баз данных Toad Data Modeler 3. 3. Информационное обеспечение работает под управлением СУБД MS Access 2003.

В качестве дальнейшего совершенствования и развития комплекса можно дополнять БД новыми моделями сушилок и калориферов, добавить математическое описание для калориферов с теплоносителем «горячая вода», математическое описание для других типов сушилок, например, распылительных.

Размещено на Allbest.ru