CN104482751B - 一种消除热风干燥机热惯性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除热风干燥机热惯性的方法及装置，其方法是先在与换热器连接的烟气流道内安装有用于调配烟气量和热风量的比例阀，然后通过温度传感器分别测得换热器入口烟气温度T_y1和出口烟气温度T_y2及干燥机热风入口温度T_f1和外部环境温度T_f0，以烟气热风比为干燥热能的匹配准则，并通过控制比例阀的开度来实现这个准则，从而实现了自动匹配干燥热风温度，消除了干燥机的热惯性。本发明可以在烘干设备周围复杂环境下实时使用，不仅解决了热风干燥过程中的大惯性、多变量、非线性工艺操作中存在严重的大滞后现象，保障种子质量、控制干燥温度、消除干燥过程热惯性，同时有利于实现干燥的高效节能。

Description

一种消除热风干燥机热惯性的方法及装置

技术领域

本发明涉及热风干燥机的技术领域，尤其是指一种消除热风干燥机热惯性的方法及装置。

背景技术

干燥温度对热敏物料粮食的品质和耐贮藏性影响极大，尤其是在高温高湿环境中的高湿粮食、种子，干燥温度参数不当，会明显加快种子老化变质的速率。为了获得干燥后具有旺盛生命力的种子。对各种热风干燥机都有干燥上限温度要求，采用控制温度的方法都是通过调整供热装置的燃料供给量，实现干燥温度的调节方法。由于干燥机的供热系统是先由燃料在热风炉中燃烧，形成高温的烟气，再把烟气引入或者鼓入换热器，由换热器把烟气的热量交换给干燥空气，形成热风，然后把热风送入干燥机，有物料和热风自发地进行热质交换，实现对物料的干燥，所以，在热风炉和干燥机之间存在很大的热惯性。热风炉和换热器的热惯性的存在，造成了干燥机热风温度变化的大惯性，即在发现热风温度超过干燥温度的上限值时，即使及时较少燃料供给量，热风温度仍然要保持一段持续上升的过程，在发现热风温度低于干燥温度的下限值时，即使及时增大燃料供给量，热风温度也要继续保持一段持续下降升的过程。热风温度变化的大惯性给物料干燥品质、能量消耗造成了很大的影响，使得干燥机温度控制的灵敏度和能量的利用的效果都很差，如何消除干燥机的热惯性，保障干燥温度不超限，提高设备调控的精度和灵敏度是热风干燥领域一直未能解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种消除热风干燥机热惯性的方法及装置，实现干燥热风温度的自动匹配，提高干燥效率，保障干燥品质。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其消除热风干燥机热惯性的方法为：首先，在与换热器连接的烟气流道内安装有用于调配烟气量和热风量的比例阀及配置有用于调整比例阀开度的控制器，物料水分在线检测的检测信号是直接传输给控制器，进而通过控制器调整比例阀开度以实现对干燥温度进行调控，而所述比例阀是通过其风舌来调整烟气的流量，从而改变烟气量和热风量的比例，所述烟气由热风炉燃烧燃料产生，并在风机的作用下引流，进入换热器内产生热风；然后通过温度传感器分别测得换热器入口烟气温度T_y1和出口烟气温度T_y2及干燥机热风入口温度T_f1和外部环境温度T_f0，其中，在干燥机的通风供热系统内，存在下式(1)和式(2)所示的热平衡和质平衡方程：

G_y(T_y1-T_y2)＝G_f(T_f1-T_f0) (1)

G_y+G_f＝G (2)

由式(1)和式(2)得到表征供热温度和送风量特征数的计算式(3)，在此，称其为烟气热风比，并把作为控制干燥温度的热能匹配准则；

式中，G为风机实际送风量kg/h，G_y为烟气流量kg/h，G_f为干燥介质流量kg/h，T_y1为换热器烟气入口温度℃，T_y2为换热器烟气出口温度℃；T_f1为干燥机热风入口温度℃，T_f0为环境温度℃，T_y1，T_y2为供热系统特征参数；

基于上式(3)，依照实时测量的T_f0，T_y1，T_y2值，即可得到T_f1；

同时，由式(3)可见反映的是烟气携带热量和热风获取热量的相对大小，所以，不论热风炉燃烧温度和风机的送风量如何波动，通过对比例阀的调整都能控制干燥机的干燥温度，保证干燥温度不超限；此外，该干燥机的烟气流道是设置在干燥机的热风流道的下方，并采用同一台风机实现引烟和引风干燥；

基于上述特征数设计的比例阀及其调整规则是：当风舌处于水平位置，即风舌开度为0°时，烟气流量等于零，T_f1＝T_f0，此时的干燥温度就是自然空气的温度，而当风舌处于垂直位置，即开度90°时，烟气流量最大，对应的换热器供给的热量最大，此时，把对应干燥机热风入口温度T_f1的烟气温度T_y1设定为干燥系统的烟气上限温度，亦为调控温度时的基准温度，得到的基准值，并把此点设定在风舌开度90°位置，这样当烟气温度超过标准值或者要求降低干燥温度时，依照式(3)的计算结果，在0°～90°的范围内，调整风舌对应的转角，就可以保证干燥机实时的安全干燥温度；因此，在总引风量不变的情况下，比例阀开度下调，减少烟气量势必增加干燥介质量，而当干燥温度偏低时，则上调比例阀开度，增加烟气量减少干燥介质量，这样就能消除热风干燥机的热惯性，避免干燥对物料的热冲击。

本发明所述的消除热风干燥机热惯性的装置，包括有用于燃烧燃料产生热能的热风炉、用于使烟气与空气交换热能的换热器、用于驱使烟气和热风流动的风机、烟气流道、热风流道、排气管道、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、比例阀、电机、控制器；其中，所述热风炉与换热器之间通过管道连接，所述换热器的烟气出口连接有烟气流道，所述比例阀安装在该烟气流道内，其包括有风舌和驱动轴，所述风舌与驱动轴通过销钉相连接，由驱动轴带动风舌在烟气流道内以驱动轴轴线为旋转中心线进行转动，所述电机上安装有限位器，所述风舌连接有控制柄，且所述控制柄与驱动轴相连，由电机驱动控制柄来带动驱动轴旋转，进而带动风舌在0°～90°竖直平面内转动，同时，所述限位器保证了控制柄在规定范围内转动，当控制柄触碰到限位器时，控制柄立刻停止转动并反馈到控制器来修改电机的转动方向，在下次工作时，电机反向旋转，带动控制柄转动到下一个目标位置；所述第一温度传感器安装在换热器的烟气入口位置，用于实时测量换热器入口烟气温度T_y1；所述第二温度传感器安装在换热器的烟气出口位置，用于实时测量换热器出口烟气温度T_y2；所述第三温度传感器安装在干燥机的热风入口位置，用于实时测量干燥机热风入口温度T_f1；所述第四温度传感器安装在换热器的自然空气入口位置，用于实时测量进入换热器的自然空气温度，即外部环境温度T_f0；所述控制器通过PLC对上述温度传感器感知的物理信号，经A/D转换器转换后，进入程序计算，并输出控制电机的信号，从而实现对风舌工作位置的调控；所述换热器与干燥机之间连接有热风流道，所述烟气流道设置在热风流道的下方，空气经过换热器后形成的干燥介质，在风机的作用下经热风流道进入干燥机内干燥物料；所述干燥机内设有排气管道，在风机的作用下排出经过换热器后的烟气和热风经干燥机后形成的高湿空气。

所述干燥机在运转过程中能依据物料水分在线检测值和干燥历程，通过调节比例阀开度，得到不同热风温度和风量，确保实时的安全干燥条件。

所述控制器是调整比例阀开度的控制单元，控制器本身是一套完整的独立控制单元，同时又是一个基本的数据采集节点，可为控制系统的上位机提供参数。

所述上位机为计算机。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、从根本上消除了热风干燥机的热惯性，避免了物料干燥热冲击，提高了干燥温度控制的灵敏度和可靠性；

2、通过合理地匹配烟气量与热风量的比例，提高了干燥系统的热能利用率，有利于实现了干燥机高效节能。

附图说明

图1为本发明所述消除热风干燥机热惯性的装置结合干燥机的示意图。

图2为本发明所述比例阀的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的消除热风干燥机热惯性的方法，采用的原理是：给干燥机(物料与热风自发进行水分交换，实现物料干燥目的主体设备)供热的主要手段是通过热风炉燃烧燃料产生烟气，再由换热器将其热量交换给空气形成热风，在风机的作用下将热风引进干燥机，在换热器结构确定之后，干燥温度和烟气温度与烟气热风比(烟气流量与干燥空气流量之比)之间则存在确定的对应关系。基于此原理，本方法采用同一台风机实现引烟和引风干燥，通过在风道中设计比例阀，实时调节烟气热风比。其具体情况如下：

首先，在与换热器连接的烟气流道内安装有用于调配烟气量和热风量的比例阀及配置有用于调整比例阀开度的控制器，物料水分在线检测的检测信号是直接传输给控制器，进而通过控制器调整比例阀开度以实现对干燥温度进行调控，而所述比例阀是通过其风舌来调整烟气的流量，从而改变烟气量和热风量的比例，所述烟气由热风炉燃烧燃料产生，并在风机的作用下引流，进入换热器内产生热风；然后通过温度传感器分别测得换热器入口烟气温度T_y1和出口烟气温度T_y2及干燥机热风入口温度T_f1和外部环境温度T_f0，其中，在干燥机的通风供热系统内，存在下式(1)和式(2)所示的热平衡和质平衡方程：

G_y(T_y1-T_y2)＝G_f(T_f1-T_f0) (1)

G_y+G_f＝G (2)

由式(1)和式(2)得到表征供热温度和送风量特征数的计算式(3)，在此，称其为烟气热风比，并把作为控制干燥温度的热能匹配准则；

式中，G为风机实际送风量kg/h，G_y为烟气流量kg/h，G_f为干燥介质流量kg/h，T_y1为换热器烟气入口温度℃，T_y2为换热器烟气出口温度℃；T_f1为干燥机热风入口温度℃，T_f0为环境温度℃，T_y1，T_y2为供热系统特征参数。

基于上式(3)，依照实时测量的T_f0，T_y1，T_y2值，即可得到T_f1。

同时，由式(3)可见反映的是烟气携带热量和热风获取热量的相对大小，所以，不论热风炉燃烧温度和风机的送风量如何波动，通过对比例阀的调整都能控制干燥机的干燥温度，保证干燥温度不超限，即T_f1≤T_fmax。

基于上述特征数设计的比例阀及其调整规则是：当风舌处于水平位置，即风舌开度为0°时，烟气流量等于零，T_f1＝T_f0，此时的干燥温度就是自然空气的温度，而当风舌处于垂直位置，即开度90°时，烟气流量最大，对应的换热器供给的热量最大，此时，把对应干燥机热风入口温度T_f1的烟气温度T_y1设定为干燥系统的烟气上限温度，亦为调控温度时的基准温度，得到的基准值，并把此点设定在风舌开度90°位置，这样当烟气温度超过标准值或者要求降低干燥温度时，依照式(3)的计算结果，在0°～90°的范围内，调整风舌对应的转角，就可以保证干燥机实时的安全干燥温度；因此，在总引风量不变的情况下，比例阀开度下调，减少烟气量势必增加干燥介质量，而当干燥温度偏低时，则上调比例阀开度，增加烟气量减少干燥介质量，这样就能消除热风干燥机的热惯性，提高了干燥机温度调控的灵敏度，避免了干燥对物料的热冲击。

如图1和图2所示，为能实现以上所述消除热风干燥机热惯性的方法的装置，它包括有用于燃烧燃料产生热能的热风炉1、用于使烟气与空气交换热能的换热器2、用于驱使烟气和热风流动的风机3、烟气流道4、热风流道5、排气管道6、第一温度传感器10、第二温度传感器11、第三温度传感器12、第四温度传感器13、比例阀7、电机、控制器；其中，所述热风炉1与换热器2之间通过管道连接，所述换热器2的烟气出口连接有烟气流道4，所述比例阀7安装在该烟气流道4内，其包括有风舌701和驱动轴702，所述风舌701与驱动轴702通过销钉相连接，由驱动轴702带动风舌701在烟气流道4内以驱动轴轴线为旋转中心线进行转动；所述电机设计在比例阀7所在位置外面，与干燥机外壁紧贴，其上安装有限位器8，所述风舌701连接有控制柄9，且所述控制柄9与驱动轴702相连，由电机驱动控制柄9来带动驱动轴702旋转，进而带动风舌701在0°～90°竖直平面内转动，达到调节比例阀7的开度、自动匹配干燥温度、消除干燥过程热惯性的目的。同时，所述限位器8保证了控制柄9在规定范围内转动，当控制柄9触碰到限位器8时，控制柄9立刻停止转动并反馈到控制器来修改电机的转动方向，在下次工作时，电机反向旋转，带动控制柄9转动到下一个目标位置。所述第一温度传感器10安装在换热器2的烟气入口位置，用于实时测量换热器入口烟气温度T_y1；所述第二温度传感器11安装在换热器2的烟气出口位置，用于实时测量换热器出口烟气温度T_y2；所述第三温度传感器12安装在干燥机14的热风入口位置，用于实时测量干燥机热风入口温度T_f1；所述第四温度传感器13安装在换热器2的自然空气入口位置，用于实时测量进入换热器2的自然空气温度，即外部环境温度T_f0。所述控制器通过PLC对上述温度传感器感知的物理信号，经A/D转换器转换后，进入程序计算，并输出控制电机的信号，从而实现对风舌701工作位置的调控。所述换热器2与干燥机14之间连接有热风流道5，所述烟气流道4设置在热风流道5的下方，空气经过换热器2后形成的干燥介质，在风机3的作用下经热风流道5进入干燥机14内干燥物料；所述干燥机14内设有排气管道6，在风机3的作用下排出经过换热器2后的烟气和热风经干燥机14后形成的高湿空气(废气)。在本实施例中，温度传感器可选用热电阻、热电偶等测温元件，而所述控制器是调整比例阀开度的控制单元，控制器本身是一套完整的独立控制单元，同时又是一个基本的数据采集节点，可为控制系统的上位机(计算机)提供参数。此外，所述干燥机14在运转过程中能依据物料水分在线检测值(由物料水分检测装置15实时在线检测，且所述物料水分检测装置15连接有安全报警器16)和干燥历程，通过调节比例阀开度，得到不同热风温度和风量，确保实时的安全干燥条件。

综上所述，在采用以上方案后，本发明可以在烘干设备周围复杂环境下实时使用，不仅解决了热风干燥过程中的大惯性、多变量、非线性工艺操作中存在严重的大滞后现象，保障种子质量、控制干燥温度、消除干燥过程热惯性，同时有利于实现干燥的高效节能。这相比现有技术，本发明能有效完成干燥热风温度的自动匹配，提高干燥效率，保障干燥品质，实时消除干燥过程热惯性，操作简单，结果精准、可靠，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种消除热风干燥机热惯性的方法，其特征在于：首先，在与换热器连接的烟气流道内安装有用于调配烟气量和热风量的比例阀及配置有用于调整比例阀开度的控制器，物料水分在线检测的检测信号是直接传输给控制器，进而通过控制器调整比例阀开度以实现对干燥温度进行调控，而所述比例阀是通过其风舌来调整烟气的流量，从而改变烟气量和热风量的比例，所述烟气由热风炉燃烧燃料产生，并在风机的作用下引流，进入换热器内产生热风；然后通过温度传感器分别测得换热器入口烟气温度T_y1和出口烟气温度T_y2及干燥机热风入口温度T_f1和外部环境温度T_f0，其中，在干燥机的通风供热系统内，存在下式(1)和式(2)所示的热平衡和质平衡方程：

G_y(T_y1-T_y2)＝G_f(T_f1-T_f0) (1)

G_y+G_f＝G (2)

由式(1)和式(2)得到表征供热温度和送风量特征数的计算式(3)，在此，称其为烟气热风比，并把作为控制干燥温度的热能匹配准则；

$\frac{G_y}{G_f}=\frac{G_y}{G-G_y}=\frac{T_{f1}-T_{f0}}{T_{y1}-T_{y2}}---\left(3\right)$

式中，G为风机实际送风量kg/h，G_y为烟气流量kg/h，G_f为干燥介质流量kg/h，T_y1为换热器烟气入口温度℃，T_y2为换热器烟气出口温度℃；T_f1为干燥机热风入口温度℃，T_f0为环境温度℃，T_y1，T_y2为供热系统特征参数；

基于上式(3)，依照实时测量的T_f0，T_y1，T_y2值，即可得到T_f1；

同时，由式(3)可见反映的是烟气携带热量和热风获取热量的相对大小，所以，不论热风炉燃烧温度和风机的送风量如何波动，通过对比例阀的调整都能控制干燥机的干燥温度，保证干燥温度不超限；此外，该干燥机的烟气流道是设置在干燥机的热风流道的下方，并采用同一台风机实现引烟和引风干燥；

基于上述特征数设计的比例阀及其调整规则是：当风舌处于水平位置，即风舌开度为0°时，烟气流量等于零，T_f1＝T_f0，此时的干燥温度就是自然空气的温度，而当风舌处于垂直位置，即开度90°时，烟气流量最大，对应的换热器供给的热量最大，此时，把对应干燥机热风入口温度T_f1的烟气温度T_y1设定为干燥系统的烟气上限温度，亦为调控温度时的基准温度，得到的基准值，并把此点设定在风舌开度90°位置，这样当烟气温度超过标准值或者要求降低干燥温度时，依照式(3)的计算结果，在0°～90°的范围内，调整风舌对应的转角，就可以保证干燥机实时的安全干燥温度；因此，在总引风量不变的情况下，比例阀开度下调，减少烟气量势必增加干燥介质量，而当干燥温度偏低时，则上调比例阀开度，增加烟气量减少干燥介质量，这样就能消除热风干燥机的热惯性，避免干燥对物料的热冲击。

2.一种能够实现权利要求1所述消除热风干燥机热惯性的方法的装置，其特征在于：包括有用于燃烧燃料产生热能的热风炉(1)、用于使烟气与空气交换热能的换热器(2)、用于驱使烟气和热风流动的风机(3)、烟气流道(4)、热风流道(5)、排气管道(6)、第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)、第三温度传感器(12)、第四温度传感器(13)、比例阀(7)、电机、控制器；其中，所述热风炉(1)与换热器(2)之间通过管道连接，所述换热器(2)的烟气出口连接有烟气流道(4)，所述比例阀(7)安装在该烟气流道(4)内，其包括有风舌(701)和驱动轴(702)，所述风舌(701)与驱动轴(702)通过销钉相连接，由驱动轴(702)带动风舌(701)在烟气流道(4)内以驱动轴轴线为旋转中心线进行转动，所述电机上安装有限位器(8)，所述风舌(701)连接有控制柄(9)，且所述控制柄(9)与驱动轴(702)相连，由电机驱动控制柄(9)来带动驱动轴(702)旋转，进而带动风舌(701)在0°～90°竖直平面内转动，同时，所述限位器(8)保证了控制柄(9)在规定范围内转动，当控制柄(9)触碰到限位器(8)时，控制柄(9)立刻停止转动并反馈到控制器来修改电机的转动方向，在下次工作时，电机反向旋转，带动控制柄(9)转动到下一个目标位置；所述第一温度传感器(10)安装在换热器(2)的烟气入口位置，用于实时测量换热器入口烟气温度T_y1；所述第二温度传感器(11)安装在换热器(2)的烟气出口位置，用于实时测量换热器出口烟气温度T_y2；所述第三温度传感器(12)安装在干燥机(14)的热风入口位置，用于实时测量干燥机热风入口温度T_f1；所述第四温度传感器(13)安装在换热器(2)的自然空气入口位置，用于实时测量进入换热器(2)的自然空气温度，即外部环境温度T_f0；所述控制器通过PLC对上述温度传感器感知的物理信号，经A/D转换器转换后，进入程序计算，并输出控制电机的信号，从而实现对风舌(701)工作位置的调控；所述换热器(2)与干燥机(14)之间连接有热风流道(5)，所述烟气流道(4)设置在热风流道(5)的下方，空气经过换热器(2)后形成的干燥介质，在风机(3)的作用下经热风流道(5)进入干燥机(14)内干燥物料；所述干燥机(14)内设有排气管道(6)，在风机(3)的作用下排出经过换热器(2)后的烟气和热风经干燥机(14)后形成的高湿空气。

3.根据权利要求2所述的一种消除热风干燥机热惯性的装置，其特征在于：所述干燥机(14)在运转过程中能依据物料水分在线检测值和干燥历程，通过调节比例阀开度，得到不同热风温度和风量，确保实时的安全干燥条件。

4.根据权利要求2所述的一种消除热风干燥机热惯性的装置，其特征在于：所述控制器是调整比例阀开度的控制单元，控制器本身是一套完整的独立控制单元，同时又是一个基本的数据采集节点，可为控制系统的上位机提供参数。

5.根据权利要求4所述的一种消除热风干燥机热惯性的装置，其特征在于：所述上位机为计算机。