Разработка подсистемы САПР технологических процессов производства фенолформальдегидных смол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ предметной области

1.1 Общие сведения о процессе производства сухих молочных продуктов

Линия по производству сухого молока должна состоять из следующих основных компонентов:

1. сепаратор - необходим для разделения цельного молока на сливки и обезжиренное молоко;

2. сушильная камера с распылительной форсункой;

3. вентилятор - соответственно для нагнетания воздуха в аппарат;

4. калорифер - аппарат подогревающий воздух до температуры, необходимой для сушки;

5. фильтр очистки отработанного воздуха - предназначен для предотвращения попадания в атмосферу готового продукта (сухого молока)

6. транспортирующие устройства.

Для уменьшения энергопотребления в состав линии может быть включен воздушный рекуператор, в котором происходит теплообмен между отработанным горячим воздухом и холодным приточным воздухом. В качестве теплоносителей для подогревания воздуха может использоваться жидкое, твердое или газообразное органическое топливо, пар или электроэнергия.

В зависимости от типа используемой распылительной форсунки для обеспечения ее работоспособности могут понадобиться воздушный компрессор (пневматическая форсунка), высокооборотный привод (дисковый распылитель) или насос высокого давления (механическая форсунка). Для очистки отработанного воздуха могут применяться тканевые фильтры, фильтры мокрой очистки или же воздушные циклоны.

В данном случае крайне желателен кратковременный контакт продукта с теплоносителем- воздухом, именно поэтому мы будем использовать распылительную сушилку. При использовании этого метода, подаваемый на сушку специальными приспособлениями (форсунками и центробежными дисками) жидкий продукт распыляется в сушильной камере, через которую проходит нагретый газ-теплоноситель (воздух).

Под распылением понимается диспергирование струи жидкости, сопровождающееся образованием большого количества полидисперсных капель. Благодаря наличию развитой поверхности у диспергированных частиц проходит интенсивный процесс тепло и массо обмена с агентом сушки. При этом распыленные частицы быстро отдают влагу. Весь процесс сушки занимает всего несколько секунд, причем максимальная температура частиц в процессе испарения влаги в зоне повышенных температур не превышает температуры, при которой продукт сохраняет свои основные физико-химические свойства. И именно это особенно ценно при сушке материалов, чувствительных к действию высоких температур. /1/

При сушке распылением можно изменять в определенных пределах некоторые показатели получаемых порошков: величину частиц, влажность, насыпную массу. При использовании сушки методом распыления получается готовый продукт, не требующий дальнейшего измельчения. Также может быть сокращен и полностью механизирован технологический цикл получения сухого продукта. Хорошая растворимость, образующегося при сушке мелкодисперсного порошка в ряде случаев имеет большое значение (например, при разведении водой сухого молока).

К недостаткам распылительных сушилок можно отнести: большие размеры сушильной камеры вследствие малой скорости сушильного агента и, соответственно, низкого напряжения камеры по влаге; значительный расход энергии и тепла; сложное оборудование сушильной установки (распылительные и пылеулавливающие устройства).

Сушку капель в сушильной башне можно разделить на два периода:

1. период с постоянной скоростью сушки;

2. период с уменьшением скорости сушки.

Первый период наблюдается в начале процесса сушки, когда количество теплоты, что поступает к частице, расходуется на испарение влаги, температура частицы остается постоянной и равняется приблизительно 100 °С.

Второй период начинается после некоторого промежутка времени, когда количество теплоты, что поступает к частице, больше чем необходимо для выпаривания влаги. В этот период температура частицы начинает расти, что может привести к нежелательным физическим и химическим изменениям.

Одним из способов повышения качества продукта и экономии энергоресурсов в процессе сушки является двухстадийная и трехстадийная сушка. Первая стадия в распылительной сушилке, вторая и третья стадии -- сушка в псевдокипящем слое на поверхности, которая непосредственно размещена в сушильной камере или же вынесенная за ее пределы. /4/

Дополнительный процесс, который свойственен при высушивании распылением является агломерация (повторное смачивание и объединение мелких частиц в агрегате) молочных продуктов. Это позволяет улучшить такие показатели, как растворимость и текучесть.

По способу распыления продукта сушилки разделяют на дисковые и форсунковые. В дисковых сушилках распыление продукта происходит под действием центробежной силы, в форсунковых -- в результате резкого перепада давления при выходе продукта из сопла или под действием воздуха. Очевидно, что более тонкое распыление означает более быстрое высушивание. Распределение капель по размеру должно быть максимально узким для обеспечения одинакового процесса высушивания, а следовательно одинаковой тепловой обработки. Распылительные сушилки также классифицируют по способу подачи воздуха: прямоточные, противоточные, комбинируемые.

До реализации процесса сушки в сушильной установке ставят следующие требования:

1. достаточное использование объема сушильной камеры;

2. минимальный уровень налипания порошка на стенках;

3. высушенный продукт повторно не вступает в контакт с горячим воздухом;

4. высушенный продукт должен быть выгружен из сушильной камеры за минимальный промежуток времени.

1.2 Основные этапы ручного проектирования сушильной установки

При рассмотрении всех этих аспектов, необходимо наибольшее внимание уделять этапам, происходящим внутри камеры сушильной установки. Полное описание процесса сушки является сложной задачей в связи с большим количеством протекающих там физических процессов. Несмотря на последние достижения, необходимость в изучении внутри камерных процессов продолжает оставаться актуальной задачей, решение которой должно быть основным этапом в процессе проектирования. При этом принципиальным является факт, что проводимые исследования лежат на пути создания физико-математической модели рассматриваемых явлений и описания их с помощью конечной системы уравнений. Получение определенной математической системы уравнений этой модели позволит нам провести ее детальный анализ и сделать выводы о необходимости проведения той или иной оптимизации. Кроме того необходимо учитывать экономическое обоснование затрат при дальнейшей эксплуатации готовой продукции.

Дальнейший расчет оптимальных параметров в системе позволит проектировщикам определиться с конечным рабочим проектом сушильной установки, его компоновочной схеме, дополнительным оборудованием и приступить к поэтапному проектированию всех его основных структурных составляющих.

Исходным документом для проектирования сушильной установки и составления документации, является техническое задание. Оно содержит в себе технико-экономическую оценку возможных вариантов решения поставленной задачи с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей создаваемого аппарата.

Эскизный проект дает общее представление о назначении, устройстве, принципе работы и основных параметрах, включая его габаритные размеры.

Рабочий проект это завершающая стадия, предусматривающая полную детализацию конструкции установки. Конструкторская документация включает данные об устройстве и все необходимые материалы для разработки основной конструкции, ее изготовления, контроля, приемки, испытаний, эксплуатации и ремонта.

Конструкторский проект состоит из эскизного, технического и рабочего проектов. В эскизном проекте предусматривают наряду с подробной разработкой схемы конструкции выявление конструктивных особенностей основных деталей, механизмов и узлов сушильной установки. На стадии эскизного проекта выполняют чертежи поперечного и продольного разрезов аппарата, его основных узлов и необходимые дополнительные чертежи. На этой стадии составляют также пояснительную записку с техническими характеристиками установки, описанием ее конструкции и расчетами (тепловым, динамическим, на прочность и технико-экономическим).

После утверждения эскизного проекта составляют технический проект. Объем конструкторской документации на стадии технического проекта существенно увеличивается, так как добавляются чертежи узлов сушки и ее систем, перечни комплектующих изделий, специального инструмента. В пояснительной записке приводят обзор существующих конструкций сушилок подобного класса со сравнительной оценкой заложенных в данном проекте и достигнутых показателей, включая данные по зарубежным аналогам. При составлении технического проекта рассматривают вопросы технологии изготовления, масштабов производства, экономической эффективности, техники безопасности и т.д. Все технические расчеты выполняют подробно и в полном объеме.

После утверждения технического проекта переходят к составлению рабочего проекта. На этой стадии осуществляется подготовка рабочих чертежей для каждой детали, спецификации, технические условия на изготовление, приемку, хранение и транспортирование деталей. Ориентировочно определяют также расход материалов, составляют данные по покупным деталям и узлам, технический паспорт и инструкцию по эксплуатации и монтажу, проект программы испытаний. /5/

Рассмотрев все вышеперечисленные этапы, делаем следующие выводы. Создание системы проектирования распылительной сушильной установки и ее составляющих элементов является сложным трудоемкий процессом, который требует большого затрата различных ресурсов в том числе и человеческих. Также следует выделить целый ряд недостатков такого проектирования. Это ручной расчет всех принципиальных параметров отдельных составляющих; соответственно низкая скорость осуществления всех этих расчетов; наличие большего количества исходных и вспомогательных данных, необходимость их упорядочивания и распределения по базам данных; необходимость построения сложных математических моделей описывающих протекающие физические процессы; создание типовых чертежей и принципиальных схем.

Поэтому внедрение в процесс проектирования автоматизации, на отдельных ее этапах, будет являться исключительно важной задачей. Это позволит нам осуществить существенное повышение общей производительности всей системы, ускорить выполнение производственных расчетов, более точно и быстро решать поставленные задачи оптимизации, создавать необходимые базы данных типовых решений, обеспечить меньшие затраты на производство.

1.3 Обоснование проектирования САПР распылительной сушильной установки для производства молочной продукции

Анализ предметной области показал, что проектирование распылительных сушильных установок процесс очень трудоемкий и длительный.

Использование средств вычислительной техники для автоматизации проектирования сушильных установок позволит существенно облегчить труд проектировщиков и сократить сроки по разработке и проектированию данного оборудования. Кроме того, создание систем автоматизированного проектирования гарантирует бездефектное проектирование, застрахованное от каких-либо ошибок проектировщика. И это, в свою очередь, отражается на качестве проектируемого изделия.

Создание САПР позволит исключить из процесса их проектирования рутинные операции, связанные с выполнением огромного количества расчетов, оформлением технической и конструкторской документации, созданием чертежей проектируемого объекта.

Все перечисленные выше преимущества автоматизированного проектирования говорят в пользу применения средств вычислительной техники в сфере машиностроения.

2. Постановка задачи на проектирование

Современная распылительная сушильная установка представляет собой сложную систему, состоящую из совокупности отдельных подсистем. В свою очередь каждую из этих подсистем можно представить в виде специфичного набора подсистем низшего уровня. Продолжая процесс деления сложной системы на подсистемы более низких уровней, можно достичь такого уровня, начиная с которого дальнейшее разбиение будет нецелесообразным. Блочно-иерархическая структура установки позволяет разделить этапы процесса проектирования на уровни, т.е. использовать блочно-иерархический подход к этому процессу. Автоматизация проектирования связана с применением ЭВМ для достижения оптимального распределении решения поставленных задач на каждом, рассмотренным выше, отдельном этапе проектирования.

Учитывая исходные данные при проектировании, поставим основные задачи подсистемы САПР:

1) Подготовить структурную схему САПР, которая осуществит отображение состава основных технических средств, программного, математического, информационного и методического обеспечений, необходимых для автоматизированного проектирования установки;

2) Разработать схему работу САПР для сушки молочных продуктов, реализующую собой последовательность действий для обеспечения наилучшего качества изготавливаемого конечного продукта.

3) Разработать и внедрить алгоритмы решения задач оптимизации, необходимые для нахождения проектного решения, алгоритмы расчета основных технологических параметров сушильной установки и подбора ее вспомогательного оборудования. Основные требования, которые предъявляются математическому обеспечению это степень универсальности, адекватность, экономичность и точность.

4) Разработать структуру информационного обеспечения САПР, а также программу контроля и отображения потоков информации, представленного в виде базы данных.

5) Разработать лингвистическое обеспечение САПР с целью осуществления удобного диалога между ЭВМ и пользователем.

6) Разработать техническое обеспечение САПР, представляющее собой взаимосвязанную совокупность технических средств, предназначенных для выполнения поставленных задач автоматизированного проектирования;

7) Разработать программное обеспечение САПР, которое будет включать в себя совокупность программных средств, необходимых для функционирования имеющихся технических средств САПР;

8) Разработать методическое обеспечение САПР с целью максимального повышения эффективности использования САПР.

3. Анализ разработок в данной предметной области

В качестве примера рассмотрим прямоточную форсуночную распылительную установку для сушки молока. Рис. 3.1 - схема установки американской фирмы «Блау-Нокс», которая имеет производительность по испаренной влаге 1,2 т/ч и относится к установкам горизонтального типа. Камера установки изготовлена в виде прямоугольника и имеет коническое днище. С торца сушильной камеры расположены два воздухораспределителя. В них имеются гнезда, куда установлены 16 форсунок для распыления. Эти форсунки объединяются одним на всех коллектором. Благодаря такому расположения форсунок есть возможность менять их во время работы сушильной установки. Сушка может происходить при любом количестве форсунок. Торец сушилки охлаждается за счет воздуха, который нагнетается вентилятором. В непосредственной близости от второй торцевой стороны сушильной камеры установлена вертикальная перегородка, перекрывающая верхнюю ее часть. Она предназначена для предотвращения возможной перегрузки продуктом циклонов. В самом низу распылительной сушильной камеры расположен транспортер. Он используется для удаления из камеры высушенного порошка. На днище установлены пневмопобудители, в верхней части камеры имеются фильтры, нагревательные элементы (калориферы) и вентиляторы. Все эти устройства предназначены для нагрева сушильного агента (воздуха) и его вывода. В распылительной установке «Блау-Нокс» есть 16 циклонов, которые действуют параллельно, имеется и пневмотранспортная линия. Сгущенное молоко с помощью центробежного насоса 16 попадает в трубчатый подогреватель 15. В нем молоко нагревается до температуры 75єС.



1 -- воздушный фильтр; 2 -- циклоны; 3 -- воздушный коллектор; 4 -- вытяжной вентилятор; 5 -- перегородка; 6 -- нагнетательный вентилятор; 7 -- камера воздушных фильтров; 8 -- сушильная камера; 9 -- калорифер; 10 -- воздуховод; 11 -- направляющие пластины; 12 -- распылительные форсунки; 13 -- вентилятор охлаждающего воздуха; 14 -- плунжерный насос; 15 -- трубчатый подогреватель; 16 -- центробежный молочный насос; 17 -- пневматические вибраторы; 18 -- центральный шнек; 19 -- разгрузочный шлюз; 20 -- вентилятор; 21 -- разгрузочный циклон; 22 -- сито; 23 -- пневмотранспортная линия: 24 -- промежуточные шнеки

Рис. 3.1. Принципиальная схема сушильной установки фирмы «Блау-Нокс»

После этого оно попадает в плунжерный насос 14. Из него молоко под давлением в (145…180)·10⁵ Па поступает в коллектор форсунок 12. В качестве сушильного агента в этой установке используется воздух. Перед тем как попасть вовнутрь камеры, воздух очищается фильтрами 1 и с помощью вентилятора 6 поступает в калорифер 9. В калорифере воздух нагревается до 160°С.

Горячий воздух по воздуховоду 10 попадает в специальные распределительные устройства, в которых он закручивается. Через форсунки 12 продукт распыляется в камеру сушилки, в ней он подхватывается закрученным воздухом, происходит сушка сырья. Некоторая часть продукции остается на внутренних поверхностях камеры. Пневматические вибраторы предназначены для поднятия сухого порошка, который осел на стенках сушильной камеры. С помощью шнека 18 порошок выводится из камеры. Другая часть порошка минует перегородку 5 и попадет в циклоны 2 вместе с отработавшим сушильным агентом. Порошок, отделившись от воздуха в циклонах, поступает в промежуточные шнеки 24. Из них через разгрузочный шлюз 19 порошок поступает в шнек 18. Затем продукт попадает в пневмотранспортную линию 23. Она предназначена для охлаждения сухого порошка. Воздух в нее подается через фильтр 1с помощью вентилятора 20.

После пневматической линии порошок попадает в циклон 21. Из циклона через шлюз 19 продукт подается для просеивания на сито 22. После этого остается только расфасовать готовый продукт. /1/

Однако, не смотря на такие достоинства, как большая величина напряжения объема сушильной камеры, легкость в эксплуатации, компактность, данная установка имеет существенный недостаток - большое количество высушенного продукта уносится в циклоны, соответственно требуется очень тщательная очистка выходящего из них воздуха.

Для реализации процесса сушки молока на данной установке был экспериментально подобран гидродинамический режим, обеспечивающий устойчивую работу аппарата и температурный режим, определяемый максимально допустимой температурой обработки. Невыясненными остались расход и скорость теплоносителя в камере сушки, количество влаги, испаряемой в процессе сушки, скорость и время сушки, определяющее габариты сушильной камеры.

Для определения габаритов проектируемой установки можно воспользоваться экспериментом. Но для получения возможности моделирования процесса сушки и его анализа целесообразно прибегнуть к теоретическому описанию происходящих процессов, то есть созданию математической модели. Для определения других вышеперечисленных параметров, а так же подбора вспомогательного оборудования (винтовых дозаторов, калориферов, вентиляторов) был разработан инженерный алгоритм расчета параметров сушильной установки. Таким образом, в целях повышения качества проектирования, необходимость создания подсистемы САПР установки для сушки молочных продуктов становиться еще более актуальной.

4. Общее описание системы

Разрабатываемая САПР предназначена для проектирования распылительной сушильной установки для производства молочной продукции. Качество и современность проектируемого объекта должно обеспечиваться возможностью постоянного пополнения и изменения имеющихся баз данных, используемых при проектировании. Как открытая и развивающаяся система, САПР предоставляет пользователю средства и возможности изменения, отдельных ее компонентов.

Процесс проектирования сложный и многостадийный. Поэтому средства автоматизированного проектирования объединяются в подсистемы САПР, ориентированные на выполнение определенных совокупностей проектных процедур. Каждая подсистема выполняется на автоматизированном рабочем месте. Структурными частями подсистем являются комплексы программного, математического, информационного, технического, лингвистического, методического и организационного обеспечений.

Проектируемая САПР включает в себя следующие подсистемы:

подсистема ввода исходных данных и расчета основных параметров аппарата;

подсистема решения задачи оптимизации;

подсистема расчета и подбора вспомогательного оборудования;

информационно-поисковая подсистема;

подсистема формирования конструкторской документации.

Каждая из подсистем имеет свою собственную среду взаимодействия в виде диалогового языка и языка управления базами данных.

4.1 Описание структурной схемы разрабатываемой САПР

Структурная схема САПР приведена в приложении А. Рассмотрим подробнее задачи, решаемые каждой подсистемой, и средства их реализации.

Разрабатываемая САПР состоит из двух основных автоматизированных рабочих мест (АРМ 1 и АРМ 2). Соответственно на каждом них осуществляется полное обеспечение работы конечных подсистем. В состав первой АРМ входят следующие подсистемы:

- подсистема ввода исходных данных и расчета параметров аппарата.

- подсистема решения задачи оптимизации.

- подсистема расчета и подбора вспомогательного оборудования.

Подсистема ввода исходных данных и расчета основных параметров аппарата обеспечивает ввод данных и требований заказчика. Ввод данных производится в диалоговой системе типа «заполнение бланка» и «вопрос-ответ». Пользователь вводит данные, последовательно заполняя необходимые пункты на форме и по мере необходимости, отвечая на поставленные вопросы. Полученные данные проверяются на корректность и допустимые условия. При корректности данных, они передаются в информационно-поисковую подсистему для поиска аналога в БД готовых проектов. В этой же подсистеме производится весь основной расчет, согласно заявленному математическому обеспечению.

В подсистеме решения задачи оптимизации, с помощью математической модели определяются параметры, оптимальные с точки зрения критерия оптимизации. Решение этой задачи также осуществляется по методам, заявленным в соответствующем математическом обеспечении.

Подсистема расчета и подбора вспомогательного оборудования для установки осуществляет расчет и подбор вспомогательного оборудования, необходимого для полноценного функционирования распылительной сушильной установки. В данной подсистеме с помощью специальных формул и зависимостей, объявленных в разделе математического обеспечения, рассчитываются основные параметры рекуператора, калорифера, распылительной форсунки, фильтра и изоляции. По этим параметрам подбирается нужное оборудование из базы данных. Для этих трех подсистем предоставляется общее техническое и лингвистическое обеспечение, полное методическое руководство пользователя.

В состав второй АРМ входят следующие подсистемы:

- информационно- поисковая подсистема.

- подсистема формирования конструкторской документации.

Одной из основных подсистем разрабатываемой САПР, обеспечивающей целостность и корректность всех данных в системе, а также обеспечивающая поиск данных требуемых для проектирования является информационно - поисковая система. Данная подсистема обеспечивает, во-первых, поиск и хранение основных данных по существующим и разработанным системой проектам, во-вторых, обеспечивает целостность и корректность хранения и обработки всех данных в системе любой из подсистем. Таким образом, данная подсистема полностью отвечает за данные. В состав информационного обеспечения данной подсистемы входят база данных готовых проектных решений, база данных параметров установки, база данных входных параметров и база данных вспомогательного оборудования.

На начальном этапе проектирования информационно-поисковая подсистема обеспечивает так называемый поиск уже готового проекта. Этот шаг реализован, для того чтобы исключить проектирование уже готового (т.е. когда-то спроектированного) аппарата с целью сокращения времени на разработку. Поиск осуществляется по параметрам, введенным в систему подсистемой ввода - вывода. Информационно - поисковая подсистема выдает следующие направления для работы в зависимости от результата поиска:

1) Аналог требуемому объекту не найден, управление передается подсистеме решения задачи оптимизации и расчета параметров аппарата.

2) Аналог найден, управление передается в подсистему формирования конструкторской документации.

Вывод результатов проектирования осуществляется с помощью подсистемы формирования конструкторской документации. Результатами работы данной подсистемы являются конструкторский отчёт и чертёж. Результаты выводятся на бумажный носитель с помощью принтера и плоттера.

Этим двум подсистемам также предоставлено общее техническое обеспечение.

4.2 Описание схемы работы разрабатываемой САПР

Описание процесса проектирования иллюстрируется схемой работы САПР распылительной сушильной установки для производства молочной продукции (приложение Б).

Первым этапом работы данной САПР является ввод исходных данных, необходимых для решения последующих задач. Задаются конкретные численные значения таких параметров как начальная и конечная влажность материала, температура материала на входе и выходе, тип сушильного агента, влагосодержание сушильного агента на входе, температура сушильного агента на входе и выходе, критичное и равновесное влагосодержание.

После окончания ввода данных происходит проверка исходных данных на корректность, после этого, в случае, если данные правильны, они сохраняются в БД.

Следующим этапом является поиск возможного готового проекта в базе данных готовых проектов. Этот этап является довольно труднореализуемым в плане полной своей автоматизации. Это связано с тем, что выбор полностью готового проекта по введённым данным (при условии полного их совпадения) практически не осуществим ввиду того что должны существовать два абсолютно идентичных технологических процесса, как с точки зрения технологического режима, так и с точки зрения технологических параметров. Такое полное совпадение фактически не возможно. В силу названных причин выбор готового проекта осуществляется при участии проектировщика, т.е. пользователь задаёт возможные пределы варьирования технологических параметров, а система, в свою очередь, находя данные, удовлетворяющие введённым ограничениям, предоставляет их пользователю для анализа. Таким образом, найденный проект, если он удовлетворяет пользователя, выводится на бумажный носитель с помощью принтера или плоттера. Если же поиск не дал удовлетворительных результатов, то введённые исходные данные передаются в подсистему решения задачи оптимизации и расчета параметров аппарата.

Дальше следует этап расчета математической модели аппарата, решение задачи влаготеплопереноса. Он осуществляется с помощью методом Эйлера решения конечных дифференциальных уравнений системы. Определяются значения удельной потери теплоты на нагревание материала, удельной потери теплоты на окружающую среду.

После этого осуществляется решение задачи оптимизации. Результатом работы данной подсистемы являются найденные при помощи метода перебора численные значения основных размеров аппарата (диаметра и высоты).

По окончании основных расчетов параметров аппарата свою работу начинает подсистема подбора дополнительного оборудования для установки. В данной подсистеме происходит расчет таких компонентов сушилки как рекуператор, распылительная форсунка, калорифер, фильтр, слой изоляции для каждого из рассматриваемых компонентов. Подбор каждого вида оборудования осуществляется в результате расчетов по специальным формулам основных параметров, характеризующих каждый из видов оборудования, и поиска в БД необходимого конечного оборудования.

Подсистема формирования конструкторской документации предлагает пользователю вывод на принтер или плоттер конструкторского отчёта и чертежа установки, после чего система заканчивает свою работу (при этом происходит запись готового проекта в БД готовых проектов).

5. Описание видов обеспечения

5.1 Математическое обеспечение

Общие сведения

Наиболее сложным этапом создания САПР является разработка математического обеспечения. Это во многом определяет производительность и эффективность работы САПР в целом. В математическом обеспечении САПР можно выделить специальную часть, в значительной мере отражающую специфику объекта проектирования, и инвариантную часть, включающую в себя методы и алгоритмы, слабо связанные с особенностями математических.

Постановка задачи оптимизации

Задача оптимизации заключается в том, чтобы найти такие численные значения высоты H и диаметра D аппарата, при которых расход тепловой энергии Q будет минимальным при достижении заданной конечной влажности выходного материала u_вых.

Q = f (H, D) > min

и ограничениях:

H_min? H ?H_max, D_min? D ?D_max.

Границы краевых условий: H_min = 3 м, H_max = 7 м, D_min = 2 м, D_max = 6 м

Составим уравнения связи и распишем основную функцию зависимости тепловой энергии от диаметра и высоты аппарата.

Q = f (H, D) = Q_исп + Q_наг + Q_пот (5.1)

Где Q_исп - тепло затрачиваемое на испарение влаги; Q_наг - тепло затрачиваемое на нагрев материала; Q_пот - потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными 15% от первых двух слагаемых. Следовательно целевая функция имеет вид.

f (H, D) =1,15(W(r₀ + C_П(t_B2 - t_M1)) + G_КС_М(t_M2 - t_M1)), (5.2)

где r₀ = 2439 кДж/кг - теплота испарения при 0; c_п = 1,97 кДж/(кгК) - теплоемкость водяного пара; c_м, кДж/(кгК) - теплоемкость материала; t_м1, С - температура материала на входе в сушилку; t_м2, С - температура материала на выходе из сушилки, W- кол-во испаряемой влаги, G_H - производительность сушилки по сырому материалу G_K - производительность сушилки по высушенному материалу. Далее определим следующие параметры:

Производительность сушилки по сырому материалу по формуле:

, (5.3)

Количество испаряемой влаги по формуле:

W = G_H - G_K, (5.4)

Из двух последних уравнений выразим конечное значение влажности выходного материала u_вых

(5.5)

Дальнейшие уравнения связи следующие:

W = L (x_г.вых - x_г.вх), (5.6)

х_г.вых=f (z), (5.7)

, (5.8)

Где х_г.вх и х_г.вых - начальное и конечное влагосодержание воздуха, - Коэффициент теплообмена, m₀- число единиц переноса, = 0,60 - порозность кипящего слоя, S_уд = 6/d, м^-1 - удельная поверхность.

В качестве метода оптимизации, был выбран метод перебора. Суть данного метода проще показать на поиске минимума функции одной переменной. Область изменения независимой переменной разбивается на N точек (исходя из шага её изменения), после чего в каждой точке данного интервала вычисляется значение функции и сравнивается с предыдущим. Если значение в текущей точке меньше предыдущего, то оно становится текущим минимумом. Так продолжается до тех пор, пока не будут просмотрены все точки заданного интервала, после чего текущий минимум объявляется глобальным и поиск завершается.

Недостатком данного метода является то, что при достаточно больших объёмах вычислений и обширной области поиска экстремума функции данный метод затрачивает на порядок больше времени, чем какой-либо другой. Другими словами, данный метод является самым медленным методом поиска экстремума, но в тоже время и самым точным.

Расчет аппарата. Алгоритм расчета габаритов камеры, математическая модель установки.

Математическая модель технологического процесса сушки разработана в соответствии с теорией тепло- и массообмена А.В. Лыкова /1/.

Уравнение массообмена (закон сохранения массы вещества) вида:

 (5.9)

свидетельствует о том, что изменение количества влаги в материале равно потоку жидкости в единичной поверхности, умноженному на поверхность высушиваемого материала.

где х - текущая координата (м);

m - масса (кг);

F - поверхность высушиваемого материала (м²);

j - поток жидкости с единичной поверхности (кг/(м²с));

V - скорость (м/сек.).

Индексы 0, 1, 2, 3 относятся соответственно к материалу, влаге в материале, пару, сушильному агенту. Уравнение теплообмена для высушиваемого материала

,

представляет собой дифференциальное уравнение переноса тепла, т.е. изменение количества тепла, содержащегося в материале, есть не что иное, как общее количество тепла, подведенное к материалу минус тепло, израсходованное на фазовые превращение (испарение) или с учетом (5.9):

, (5.10)

где c - теплоемкость (Дж/кг к);

T - температура (К);

- теплота испарения (Дж/кг);

б - коэффициент теплообмена (Вт/м²к);

индекс S - соответствует параметрам на линии насыщения.

Для получения дифференциального уравнения теплообмена для сушильного агента выделим единичный объем сушильной камеры. На основании закона сохранения энергии можем утверждать, что изменение количества тепла сушильного агента в единичном объеме равно изменению количества тепла частиц материала , находящихся в единичном объеме, т.е.:

,

где с - плотность (кг/м³);

n - концентрация (I/м³).

Пусть - число частиц материала, проходящих через единицу площади за единицу времени и пусть - массовый расход воздуха на единице площади за единицу времени. Тогда весовой расход материала G (кг/сек) и весовой расход сушильного агента L (кг/сек) соответственно равны:

,,

где - площадь поперечного сечения сушильной башни (м²).

При введенных обозначениях уравнение теплообмена для сушильного агента примет вид:

, (5.11)

где - приведенная теплоемкость парогазовой смеси, определяемая соотношением: , - удельное влагосодержание высушиваемой композиции (кг/кг). Динамика процесса может быть представлена соотношением:

, (5.12)

где первая часть представляет сопротивление обтеканию тел потоком по закону Стокса /2/,

g - ускорение свободного падения (м²/сек);

- геометрический размер частицы (длина обтекания) (м);

r - радиус частицы (м);

Re - безразмерный параметр Рейнольдса;

+ - соответствует противотоку.

Соотношения (5.9) - (5.12) необходимо дополнить балансовыми уравнениями (уравнениями материального баланса). Баланс количества частиц композиции с учетом введенных обозначений имеет вид:

, (5.13)

Физическая природа соотношения (5.13) состоит в том, что с ростом скорости высушиваемого материала по длине трубы-сушилки уменьшается его концентрация и наоборот. Баланс массы сухого газа имеет вид:

, (5.14)

где H - высота сушильной камеры (м).

Соотношение (5.14) свидетельствует о зависимости плотности сухого газа от его скорости. Количество влаги, выделенное из материала, равно количеству влаги, полученному сушильным агентом. Исходя из этого, баланс массы влаги запишем в виде:

, (5.15)

Значение общего давления, равного сумме парциальных давлений, составляющих компонент и плотности окружающей парогазовой среды, выражаются соотношениями:

; ,

где P - давление (Па);

, , , , (5.16)

где B - газовая постоянная (Дж/кг?кг);

R - объединенная газовая постоянная (Дж/кмоль к);

µ - молекулярный вес (кг/моль).

Система (5.9)-(5.16) с граничными условиями

; ; ; ; ; ;

(5.17)

описывает технологический процесс сушки молока в распылительной сушилке/3/.

Исследования механизма сушки, анализ существующих математических моделей процессов сушки позволяет утверждать, что сушка происходит не равномерно, с различной интенсивностью. Для получения более точной математической модели предлагается разбить процесс сушки на три периода (начальный период сушки, период постоянной скорости сушки, период падающей скорости сушки). Выделение начального периода обусловлено существованием пониженного давления в трубе-сушилке. Следствие этого - низкая температура мокрого термометра. Таким образом, особенностью рассматриваемого класса сушильных установок является то, что материал, испаряя много влаги, не смотря на нагрев, подвержен охлаждению относительно температуры на входе.

В первом периоде массообмен происходит в режиме неравновесного испарения (давление насыщенного пара воды больше давления общего) по закону Герца-Кнудсена.

Поток массы, испаряющейся с единицы площади, определяется отношением /4/:

, (5.18)

где ,

- коэффициент аккомодации, для шероховатых поверхностей, . Поток жидкости с единичной поверхности в периоде постоянной скорости сушки задаем уравнением Дальтона /5/:

, (5.19)

где в - коэффициент массообмена (кг/(м²сек Па)).

В период падающей скорости сушки температура материала повышается, фронт влаги углубляется внутрь материала. Поток жидкости описывается формулой Паузейля /2, 6/:

, (5.20)

где

- радиус капилляра (м);

- вязкость водяного пара (Па сек);

- толщина высушиваемого слоя (м), определяемая из соотношения вида:

,

где

- координата, соответствующая критическому влагосодержанию;

- критическое влагосодержание материала - параметр, определяющий третий период сушки;

- величина, характеризующая внутреннее сопротивление материала

переносу пара.

Индексы 1, 2, 3 функции j, соответствует различным периодам сушки. В зависимости от условий протекания процесса (начальная температура материала, температура сушильного агента, значение критического влагосодержания материала и т.д.) делается выбор периода (режима сушки). Последнее не исключает возможности отсутствия второго режима или кратковременности первого. Данный подход является наиболее общим и предполагает построение наиболее точной математической модели. Вследствие большой разницы между температурой мокрого термометра и температурой сушильных газов, а также отсутствие сил, препятствующих массопереносу, испарение в первом и втором периодах происходит очень интенсивно.

Исходная система (5.9)-(5.16) может быть сведена к виду наиболее удобному для интегрирования относительно интересующих характеристик процесса сушки: количество влаги, содержащейся в материале, температуры материала и сушильного агента (основных функций).

Разрешив систему уравнений (5.12)-(5.16) относительно неосновных функций, используя при этом условия на границе, а также тот факт, что требования, предъявляемые к выходной продукции известны, т.е. m₁(H) задано, получим систему трех обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, соответствующих исходному представлению модели системой:

(5.21)

, (5.22)

, (5.23)

где ;

;

;

с условиями на границе:

; ; . (5.24)

Соотношения (5.21)-(5.24) должны быть дополнены рядом расчетных формул для определения значений физических величин входящих в данные соотношения. Коэффициент теплообмена рассчитываем по формуле Нестеренко /5/:

,

где - безразмерный параметр Нуссельта, характеризующий подобие условий теплообмена (массообмена) на границе между жидкостью и твердым телом:

- теплопроводность сушильного агента (Вт/(м к)), определяемая из соотношения вида:

,

где - безразмерный параметр Рейнольда, характеризующий отношение конвективной составляющей инерциальных сил к силам внутреннего трения в газе или жидкости, определяем из соотношения:

, значения , являются табличными /7, 8, 9/;

- безразмерный параметр Прандаля, получаемый из уравнения теплообмена;

- кинематическая вязкость сушильного агента (м²/сек), для газа можно считать ;

- безразмерный параметр Гурмана.

Значения A, m, n берутся из таблицы в зависимости от величины числа Рейнольда /10/. Коэффициенты массообмена находим из массообменной формулы Нестеренко /5/:

,

где ,

- коэффициент влагопроводности сушильного агента (м/сек), равный:

.

Уравнение для определения давления насыщенных паров воды (уравнение Антуана) имеет вид /9/:

.

Для нахождения используем соотношение для идеального газа /11/:

.

Зависимость имеет вид /12/:

.

Таким образом, полученная система трех обыкновенных дифференциальных уравнений с условиями на границе дополнена рядом расчетных формул для определения интересующих физических величин.

Результатом решения полученной системы уравнений является нахождение основных функций - количества влаги, содержащегося в одной частице материала, температуры материала и сушильного агента /13, 14, 15/.

Для рассматриваемого объекта идентификации выбраны линейные уравнения регрессии вида:

,

.

Коэффициенты регрессии рассчитываются по формуле /16, 17, 18/:

, где - число экспериментов.

По результатам расчетов коэффициентов регрессии получим:

,

.

Поскольку табличное значение критерия Стьюдента при пятипроцентном уровне значимости равно = 2,306 /16/, коэффициенты и статистически незначимы. Уравнения регрессии приобретают вид:

,

.

Исследование области экстремума выполнено путем зондирования пространства параметров системы в соответствии с двумерной - сеткой.

При нестационарном подходе, математическая модель будет иметь следующий вид:

; (5.25)

; (5.26)

; (5.27)

; (5.28)

; (5.29)

где ф - время, с соответствующими начальными и граничными условиями.

Габариты сушильной камеры во многом определяют время сушки. Для его определения можно воспользоваться экспериментом, однако для анализа процесса и получения возможности его моделирования целесообразно прибегнуть к теоретическому описанию происходящих процессов.

Объем камеры определяем по формуле:

 м³, (5.12)

где: W - количество выпаренной влаги, кг/час;

А = 4 кг/(м³час) - напряжение объема сушильной камеры.

Критерий Архимеда:

, (5.13)

где _М, кг/м³ - плотность материала.

Критерий Рейнольдса для рабочего режима:

, (5.14)

где = 0,60 - порозность кипящего слоя.

Критерий Прандтля:

Pr = c_t/_t, (5.15)

где _t = 0,035 Вт/(мК) - теплопроводность воздуха.

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,4(Re_р/)^0,67Pr^0,33. (5.16)

Количество выпаренной влаги определяю исходя из материального баланса сушки по формуле:

кг/час (5.17)

Камера имеет форму цилиндра с коническим дном с соотношением высоты H к диаметру D равном 1.2. Исходя из этого, диаметр определяем по формуле:

м. (5.18)

При этом высота будет равна 1.2D. Размеры конического дна камеры принимаю конструктивно. /2/

Расчет аппарата. Алгоритм теплового расчета.

Для определения расхода воздуха и расхода теплоты необходимо построить теоретический и практический циклы сушки в I_d диаграмме для воздуха. На пересечении изотермы t₀ ^оС и линии влагосодержания d₀ г/кг находиться точку A, характеризующую состояние (параметры) наружного воздуха.

Нагрев воздуха в калорифере происходит при постоянном влагосодержании, поэтому на пересечении изотермы t₁ ^оС и линии влагосодержания d₀ г/кг находится точку B, характеризующую состояние воздуха после подогрева.

Теоретический процесс сушки происходит при постоянной энтальпии. Точку, соответствующую состоянию воздуха в конце теоретического цикла сушки (C), находим на пересечении I_B изоэнтальпы кДж/кг и изотермы t₂ ^оС.

По диаграмме необходимо определить параметры воздуха в трех точках теоретического цикла сушки.

В реальном процессе сушки линия BC будет начинаться в точке B, однако не будет совпадать с направлением изоэнтальпы I_B. Направление этой линии зависит от величины, определяемой по формуле:

 Дж/кг, (5.19)

где: q_доб = 0 Дж/кг - добавочное количество теплоты, подводимой непосредственно в сушильную камеру;

q_w - теплота, вносимая в сушку с влагой материала, Дж/кг;

q_м - удельные потери на нагрев материала, Дж/кг;

q_тр = 0 Дж/кг - удельные потери на нагрев транспортных устройств;

q_пот - удельные потери в окружающую среду (принимаются на уровне 15% от теоретически затраченной теплоты).

Все величины обозначенные буквой q являются удельной теплотой, отнесенной к 1 кг выпаренной влаги.

Удельную теплоту, вносимую в сушку с влагой материала, определяем по формуле:

Дж/кг, (5.20)

где: с_в = 4190 Дж/(кг К) - удельная теплоемкость воды;

Удельные потери теплоты на нагревание материала определяю по формуле:

Дж/кг. (5.21)

Удельные потери теплоты на окружающую среду определяю по формуле:

Дж/кг. (5.22)

где: q_Т - теоретический расход теплоты на испарение 1 кг влаги, определяю по формуле:

(Дж/кг), (5.23)

где: I_B, I_A, d_C, d_A - энтальпии и влагосодержания воздуха в соответствующих точках I-d диаграммы.

Уравнение лини BC₁ реального процесса сушки (зависимость энтальпии от влагосодержания) выглядит следующим образом:

кДж/кг, (5.23)

Задаемся произвольным влагосодержанием d (г/кг) и определяем для этого влагосодержания энтальпию точки D (принадлежит лини ВС₁ реального цикла сушки) из уравнения 5.10:

На I-d диаграмме отмечаю точку D и провожу прямую через точки D и В, на пересечении этой прямой и изотермы t₂ ^oC находим точку С₁, характеризующую состояние воздуха в конце реального цикла сушки. При этом энтальпия в точке C₁ - I_C1 кДж/кг, а влагосодержание d_C1 г/кг.

Реальный расход воздуха определяю по формуле:

кг/с (5.24)

Необходимое количество тепла для сушки определяю по формуле:

Вт (5.25)

Расчет вспомогательного оборудования. Алгоритм расчета рекуператора.

Рекуператор представляет собой набор гладких пластин из стандартных оцинкованных листов размерами b = 1 м и h = 1 м, толщиной _л = 0.7 мм. Между пластинами проклеены резиновые прокладки (11 шт.) шириной b_р = 2 мм, с шагом 0.1 м. Расположение прокладок указано на рисунке 2, они расположены таким образом, чтобы обеспечить перекрестное движение воздушных потоков отработанного и внешнего воздуха без смешивания между собой. Конструктивно пластины припаяны к несущей металлоконструкции (уголок).

Схема движения потоков воздуха через рекуператор показана на рисунке 5.3.

Рис. 5.2. Пластинчатый рекуператор

Рис. 5.3. Схема движения воздушных потоков пластинчатого рекуператора

Для расчета рекуператора задаюсь средним температурным напором dt = 10 ^oC, и скоростью воздуха в рекуператоре _р = 5 м/с Температура сбрасываемого из рекуператора воздуха рассчитывается по формуле:

(5.26)

Количество тепла, передаваемое в рекуператоре, определяется по формуле:

(Вт), (5.27)

где: с_воз = 1005 Дж/(кг К) - теплоемкость воздуха.

При охлаждении исходящего воздуха в рекуператоре может образовываться конденсат. Сначала охлаждение происходит при постоянном влагосодержании, пока относительная влажность воздуха не достигнет 100%, затем процесс протекает с конденсацией влаги (по линии 100% влажности). Количество сконденсировавшейся влаги высчитывается по формуле:

кг/с, (5.28)

Количество выделяемого конденсата должно быть незначительным по сравнению с расходом воздуха (<1%), и в дальнейшем расчете пренебрегается уменьшением эффективной площади теплообмена за счет образования конденсата.

Площадь поверхности теплообмена рекуператора определяю по формуле:

м², (5.29)

где: k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по эмпирической формуле:

Вт/(м²К). (5.30)

Эффективную площадь теплообмена одной пластины определяется так:

(м²) (5.31)

Необходимое количество пластин:

(5.32)

Площадь сечения по воздуху определяю:

м², (5.33)

где: p_в = 1.093 кг/м³ - плотность воздуха при температуре 50 ^оС (средняя температура воздуха в рекуператоре).

Расстояние между пластинами определяется по формуле:

м (5.34)

Общую толщину пакета пластин высчитывают следующим образом:

м (5.35)

Расчет вспомогательного оборудования. Алгоритм расчета калорифера.

Калорифер представляет из себя набор из одинаковых оребренных ТЭН (РЭН) с мощностью N'(кВт/п.м.) и с площадью оребрения F' (м²). Для дальнейшего расчета принимается температура поверхности РЭН t_к (^oC). Конструктивно принимаются габариты проходного сечения калорифера из расчета размещения его на рекуператоре: ширина b_к (м), высота h_к (м). Численные значения рассчитываемых параметров будут находиться в специальной базе данных. Алгоритм расчета калорифера следующий:

Проверяется тепловая нагрузка на 1 погонный метр РЭН. Количество теплоты, отдаваемое с 1 п.м. РЭН рассчитывается по формуле:

Вт, (5.36)

программный автоматизированный сушка технический

где:

k - коэффициент теплопередачи от поверхности РЭН к воздуху, Вт/(м²К);

t_ср - средний температурный напор калорифера.

Коэффициент теплопередачи определяется по эмпирический формуле:

. (5.37)

где: _кал - скорость воздуха в калорифере, м/с.

Скорость воздуха в калорифере рассчитывается по формуле (с учетом того, что площадь прохода по воздуху в калорифере составляет 2/3 от общей площади сечения):

м/с, (5.38)

где: _к = 1.093 кг/м³ - плотность воздуха при температуре 50 ^оС (средняя температура воздуха в калорифере)

Разница температуры воздуха и поверхности РЭН на входе в калорифер:

^оС.

Разница температуры воздуха и поверхности РЭН на выходе из калорифера:

^оС.

Так как отношение dt₁/dt₂<2, то dt_ср определяется как среднеарифметическое этих двух значений:

^оС.

Общую длину оребренной поверхности РЭН можно определить по формуле:

м, (5.39)

где: Q_c и Q_p - количество теплоты, необходимой для процесса сушки и количество теплоты переданное в рекуператоре соответственно, Вт.