基于PLC+TPC的熱風(fēng)循環(huán)烘箱節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計

呂洪善,仝海燕

(1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程系,安徽 亳州 236800;2.亳州學(xué)院 電子與信息工程系,安徽 亳州 236800)

干燥技術(shù)在蔬菜、食品、中藥材等烘干生產(chǎn)中是一項非常重要的工藝過程,烘干又是一個巨大的耗能過程,而烘干行業(yè)平均能源利用率只有40%左右,特別是中小企業(yè)采用的普通烘干設(shè)備,能源利用率更低.高能耗不僅提高了企業(yè)的成本,同時也帶來了環(huán)保問題.目前該領(lǐng)域內(nèi)的熱點課題主要集中于兩點:一是在保障干燥質(zhì)量的前提下降低在干燥過程中能量的損耗;二是在不大幅度增加能耗的基礎(chǔ)上盡量提高干燥質(zhì)量[1,2].

文中主要以降低能耗、減少污染、縮短烘干時間、智能控制為目標(biāo),采用專業(yè)的現(xiàn)代分析手段和實驗方法,對工作環(huán)境下典型熱風(fēng)循環(huán)烘箱設(shè)備關(guān)鍵物理量的變化情況進行研究,從而為烘干設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)造條件.在理論研究方面采用CFD模擬方法,實驗方面借助市面現(xiàn)有的CT-C-0型熱風(fēng)循環(huán)烘箱進行測試得出原始數(shù)據(jù),并在其基礎(chǔ)上根據(jù)模擬實驗加以改造,提高了系統(tǒng)的各方面的性能,達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的目的,為烘干設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)提供了參考.

1 傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)烘箱干燥方式

目前,中小企業(yè)廣泛采用的小型熱風(fēng)循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)如圖1所示,一般采用單向送風(fēng)和單向排風(fēng)的通風(fēng)方案.其工作過程是:離心風(fēng)機把外面冷風(fēng)吸進烘干箱,電加熱器對吸進的冷風(fēng)進行加熱.加熱后的熱風(fēng)經(jīng)壓風(fēng)板阻擋后,沿著烘干箱兩外壁通風(fēng)道向上運行,再經(jīng)過干燥室內(nèi)壁出風(fēng)口進入到干燥室內(nèi).物料的干燥就是利用流動的熱風(fēng),把物料中的水分帶走.濕氣通過烘箱上方的排風(fēng)口排出箱外.在整個干燥過程中排風(fēng)口是一直敞開的,因此,干燥過程中大量熱能也隨著排出的濕氣散失在空氣中.通過實驗發(fā)現(xiàn),在干燥過程中,只有在剛開始的時候排出的熱空氣中含水量較高,在后面大部分的干燥時間內(nèi),熱空氣中含水量并不高,即干燥過程中從排風(fēng)口排出的很多熱空氣對干燥效果的貢獻(xiàn)很小.同時,在實驗中發(fā)現(xiàn),干燥室內(nèi)熱空氣的溫度與被干燥物料的溫度差距很大,而目前主流的小型熱風(fēng)循環(huán)烘箱的溫度控制是通過檢測干燥室內(nèi)空氣溫度從而開關(guān)電加熱器的方法來控制的,控制特定溫度點的溫度(點控),由于干燥室內(nèi)熱空氣的溫度與被干燥物料的溫度并不相同,導(dǎo)致溫度控制器頻繁開關(guān)加熱器,增加了能耗,對干燥效果貢獻(xiàn)卻不大.

圖1 熱風(fēng)循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)與氣流運行圖

研究組采用三維機械輔助設(shè)計軟件Solidworks對市場常用熱風(fēng)循環(huán)烘箱設(shè)備建立空間模型,如圖2所示.利用有限單元法計算軟件Flow simulation進行流體仿真計算.通過仿真計算和實驗測試,顯示物料上方橫向氣流流速很小,且基本為無規(guī)則亂流,如圖3傳統(tǒng)小型熱風(fēng)循環(huán)烘箱內(nèi)部空氣流速分布的計算結(jié)果.結(jié)合實驗和仿真數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn),影響物料干燥速度的主要因素不是干燥室內(nèi)介質(zhì)的溫度,而是干燥室內(nèi)部空氣的運動路線和空氣流速.所以加快物料干燥速度的主要措施在于控制干燥室內(nèi)部空氣的流動路徑和物料表面空氣流速[3-4].

圖2 傳統(tǒng)小型熱風(fēng)循環(huán)烘箱模型

圖3 傳統(tǒng)小型熱風(fēng)循環(huán)烘箱內(nèi)部空氣流速分布

2 熱風(fēng)循環(huán)烘箱的改造設(shè)計

2.1 通過CFD模擬技術(shù)優(yōu)化通風(fēng)方案

對傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)烘箱仿真和實驗測試,得出干燥過程中物料溫度的變化是一種振蕩上升的過程,簡單提高物料溫度并不能顯著加快干燥速度.因此判斷在溫度、濕度相同的情況下,影響干燥速度快慢的主要因素是物料與空氣接觸表面及空氣流動情況[5].根據(jù)上述判斷,在相同物料的干燥過程中,要想減少能耗、縮短干燥時間,必須尋求一種優(yōu)化的通風(fēng)方案.

為了得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),對烘干過程中干燥室內(nèi)部空氣流動速度和方向分別使用葉輪式風(fēng)速計和熱線式風(fēng)速計兩種方案進行了實驗,實驗結(jié)果顯示干燥室內(nèi)空氣流動路徑復(fù)雜,運動以紊流為主,而且流速較低,經(jīng)多次實驗測量,物料上方空氣流速基本是小于0.3 m/s,遠(yuǎn)低于大多數(shù)物料的干燥流速要求.為了能更好地分析干燥室內(nèi)的空氣速度和流動情況,通過對市場CT-C-0型熱風(fēng)循環(huán)烘箱設(shè)備在工作環(huán)境下關(guān)鍵物理量的變化情況進行監(jiān)測,借助三維機械輔助設(shè)計軟件Solidworks建立干熱風(fēng)循環(huán)烘箱的空間模型.為了解決干燥物料表層干燥介質(zhì)流動速度難以測量問題,尋求較為優(yōu)化的熱風(fēng)循環(huán)烘箱設(shè)備的各個單元的位置和數(shù)量,采用計算流體力學(xué)數(shù)值模擬有限單元法,利用仿真軟件Flow simulation進行仿真計算.通過對熱風(fēng)循環(huán)烘箱內(nèi)部空氣流速分布和干燥過程中氣流運動路徑進行了20次流體仿真計算驗證,形成最終的設(shè)計方案.

2.2 結(jié)構(gòu)上的改造方案

為了克服CT-C-0型熱風(fēng)循環(huán)烘箱干燥時間長,能耗高的不足,研究組采用有限單元法計算軟件Flow simulation對干燥機空間模型進行了空間網(wǎng)格劃分,加入了熱源和風(fēng)機激勵,對進風(fēng)口、出風(fēng)口和干燥室內(nèi)壁風(fēng)孔分別進行了體積流量和壓力邊界條件設(shè)置,對不同風(fēng)量,不同風(fēng)孔形狀,不同進風(fēng)口,出風(fēng)口位置情況進行20次流體仿真計算,獲得了不同情況下干燥室內(nèi)部空氣的流速和流動路線數(shù)據(jù),對原熱風(fēng)循環(huán)烘箱機構(gòu)進行了改造,改造后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.改造后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱在側(cè)面加了一個離心風(fēng)機,其作用是驅(qū)動干燥室內(nèi)的熱空氣的橫向流動,同時也是為了增加熱空氣流動速度.熱空氣在底部由原來的雙向流動改成單向的定向流動,所以在底部用了一個封板,阻擋了熱風(fēng)的流動方向,這樣熱風(fēng)的流動方向更加容易控制.外箱體兩側(cè)各開一個孔,其中一個孔用于側(cè)面風(fēng)機出風(fēng)口,用風(fēng)管連入干燥室,另一個孔用于經(jīng)法蘭連接到側(cè)面風(fēng)機的入風(fēng)口,實現(xiàn)干燥室內(nèi)部空氣的循環(huán)流動.在箱體頂部開一個排風(fēng)孔,通過風(fēng)管連接到干燥室內(nèi),在排風(fēng)孔上安裝一個電磁閥,用于控制排風(fēng).在干燥室內(nèi)部安裝一個溫度傳感器和一個濕度傳感器,傳感器在干燥過程中埋入被干燥物料中(這樣測量數(shù)據(jù)更貼合實際),以測量被干燥物料的溫度和濕度.

圖4 改造后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)

2.3 熱風(fēng)循環(huán)烘箱控制系統(tǒng)的改造

目前主流的熱風(fēng)循環(huán)烘箱的溫度控制是控制特定溫度點的溫度(點控),由于干燥室內(nèi)熱空氣的溫度與被干燥物料的溫度并不相同,導(dǎo)致溫度控制器頻繁開關(guān)加熱器,增加了能耗,對干燥效果貢獻(xiàn)卻不大.研究組采用了PLC+TPC組合的方式對設(shè)備的控制系統(tǒng)進行了改造,不僅實現(xiàn)干燥過程的智能化,而且達(dá)到節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的目的.熱風(fēng)循環(huán)烘箱智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 熱風(fēng)循環(huán)烘箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三菱FX3UPLC作為控制系統(tǒng)核心,利用PLC的可靠性高,抗干擾能力強,編程方便,易于控制等特點,使系統(tǒng)更有擴展性.TPC作為設(shè)備監(jiān)控的上位機,利用組態(tài)控制技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控各部分的工作情況并記錄被干燥物品的溫度、濕度等數(shù)據(jù),記錄的數(shù)據(jù)以報表的形式輸出,更加方便分析物料在干燥過程中的參數(shù)變化情況.在上位機上可以根據(jù)不同的物料干燥要求,設(shè)置溫度和濕度的上限值和下限值,防止溫度過高,損壞物料,圖6為上位機的監(jiān)控界面之一.系統(tǒng)根據(jù)溫度和濕度在TPC上的設(shè)置值與溫度、濕度傳感器測量的反饋值對比,然后對PLC發(fā)布指令,控制風(fēng)機系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)和排濕系統(tǒng).排濕口的打開或關(guān)閉由電磁閥來控制,電磁閥的控制根據(jù)檢測的濕度和溫度的設(shè)定值來控制,如當(dāng)濕度檢測器測量的測量值大于上位機TPC上設(shè)置的設(shè)定值時,排濕口打開,進風(fēng)機關(guān)閉,循環(huán)風(fēng)機關(guān)閉.如在低溫高濕干燥物料的初級階段,通過控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,控制風(fēng)機輸送風(fēng)量的大小來控制烘箱內(nèi)的氣體流動.圖7為PLC+TPC控制的熱風(fēng)循環(huán)烘箱控制系統(tǒng)邏輯示意圖.

圖6 TPC監(jiān)控界面

3 熱風(fēng)循環(huán)烘箱控制系統(tǒng)改造前后對比

從前面的結(jié)論我們知道,影響物料干燥快慢的主要因素是干燥室內(nèi)空氣的流動路徑和內(nèi)部熱空氣流速.通過改造后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱內(nèi)部空氣流速分布如圖8所示,實驗數(shù)據(jù)和仿真顯示物料上方橫向氣流流速可達(dá)原機的5-8倍,且無規(guī)則亂流明顯減少,層流增加.與圖3相比,圖8的內(nèi)部空氣流速分布明顯比圖3更均勻.

圖8 改造后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱內(nèi)部空氣流速分布

通過上位機TPC數(shù)據(jù)記錄和Flow simulation仿真軟件對烘箱內(nèi)部物料溫度和濕度的變化進行監(jiān)視,得出如下對比曲線圖.圖9為原烘干箱干燥過程中物料溫度和相對濕度的變化規(guī)律.圖10為改造后的烘干箱干燥過程中物料溫度和相對濕度的變化規(guī)律.圖11為不同情況下干燥室內(nèi)風(fēng)速.為了驗證設(shè)計的合理性,研究組以櫻樹葉為物料進行烘干實驗,改造前后的熱風(fēng)循環(huán)烘箱烘干效果圖如圖12所示,左側(cè)為原機干燥5 h的效果,右側(cè)為改造后干燥3.5 h的效果.通過對改造后的烘干箱進行了10余次的實驗,將實驗中得出的數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果進行對比分析,改造后的設(shè)備可節(jié)能18%-30%,證明了該方案的有效性和可行性.

圖9 原烘干箱干燥過程中物料溫度與相對濕度的變化規(guī)律

圖10 改造后的烘干箱干燥過程中物料溫度與相對濕度的變化規(guī)律

圖11 不同情況下干燥室內(nèi)風(fēng)速

4 結(jié) 論

采用當(dāng)前流體工程領(lǐng)域中主流的計算流體力學(xué)方法,借助三維機械輔助設(shè)計軟件Solidworks建立干熱風(fēng)循環(huán)烘箱的空間模型,利用有限單元法計算軟件Flow simulation進行流體仿真計算,確立了熱風(fēng)循環(huán)烘箱結(jié)構(gòu)改造方案.通過對CT-C-0型熱風(fēng)循環(huán)烘箱設(shè)備結(jié)構(gòu)的改造,提高了熱源的使用效率和物料的干燥速度,減少了能源的損耗和廢氣的排放,達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、減排、省時的目的.利用MCGS組態(tài)控制技術(shù)與PLC通訊控制,實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的重要參數(shù)實時監(jiān)控和設(shè)備的智能控制.對不同物料進行烘干實驗,驗證了這種設(shè)計的有效性和可行性.