CC BY
118
УДК 542.47:631.563.2
Профессор А.М. Гавриленков, доцент Е.В. Батурина, (Воронеж. гос. ун-т ннж. технол.) базовая кафедра технологии органического синтеза и высокомолекулярных соединений, тел. (473)249-92-37 ассистент А.Б. Емельянов,
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов химических производств, тел. (473)249-92-37 студент С.А. Пенкин
(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) факультет пищевых машин и автоматов, тел. (473)255-38-96
Методика обоснования выбора способа сушки и типа сушильных установок для АПК
Предложен комплексный критерий, показывающий соотношение между удельными энергозатратами и удельной производительностью сушилок.
Complex criterion that shows the relationship between specific power inputs and specific capacity driers.
Ключевые слова: сушка, оптимизация, эффективность.
В условиях развития рыночных отношений в сельском хозяйстве наметилась тенденция переработки сырья непосредственно его производителями. В связи с этим увеличивается спрос на установки малой производительности, в том числе для сушки различных сельхозпродуктов.
Известно, что значительная часть собранного урожая теряется из-за порчи при хранении. Ликвидация или снижение этих потерь позволил бы увеличить объем сельхозпродукции без увеличения ее производства и связанных с этим расходов. Поэтому такой путь наращивания поставок продуктов питания и сырья для пищевой промышленности представляется наиболее рациональным и экономически эффективным.
Сушка является традиционным и одним из самых простых способов консервации различных продуктов. Она широко применяется при послеуборочной подготовке к хранению различных продуктов растениеводства. Переход к хранению существенной части урожая непосредственно у производителей с целью использования благоприятной конъюктуры рынка также создает спрос на сушильные установки малой мощности.
До настоящего времени отечественная промышленность была в основном ориентирована на выпуск крупнотоннажных высокопроизводительных сушилок, использующих традиционные способы проведения процесса.
Сушилки малой мощности, предназначенные для эксплуатации самими производителями сельхозпродукции, позволяющие обрабатывать различные сыпучие продукты, в настоящее время серийно не выпускаются. Определенный интерес сельхозпроизводители проявляют к мобильным установкам. Предъявляемые к ним требования, обусловленные спецификой эксплуатации, существенно отличаются от требований к высокопроизводительным сушилкам, работающим в промышленных условиях.
©Гавриленков А.М., Батурина Е.В., Емельянов А.Б., Пенкин С.А., 2014
В настоящее время, помимо традиционного конвективного, исследованы различные высокоэффективные способы сушки, основанные на использовании энергетических полей - токов высокой и сверхвысокой частоты, инфракрасного излучения и их различных комбинаций.
Для организации выпуска высокоэффективных сушилок малой мощности необходим выбор рациональных способов проведения процесса, типа установки и конструктивных решений ее узлов. Актуальность этой задачи увеличивается в связи с тем, что в нашей стране начинают во все больших масштабах выращивать новые продовольственные и технические культуры (например, рапс, амарант и др.), которые как объекты сушки существенно отличаются от традиционных зерновых, масличных и кормовых культур и нуждаются в новых проектноконструкторских и технологических решениях. От выбора способа сушки, типа установок и конструктивных решений зависит экономическая эффективность реализуемых установок, а в итоге - себестоимость получаемой продукции и прибыль.
Однако до настоящего времени проблемы аргументированного выбора рационального варианта проведения сушки и типа сушильной установки практически не рассматривались, несмотря на их очевидную важность. Выбор проводился интуитивно и базировался на опыте проектировщиков и известных аналогиях, что неизбежно исключало новые ранее не использовавшиеся решения. Сопоставление эффективности сушилок проводилось в основном по двум показателям - удельной производительности и удельным энергозатратам. При этом они рассматривались как независимые величины, в действительности, как показали исследования, эти показатели взаимосвязаны [7]. В то же время такие важные показатели, как надежность, удобство и простота эксплуатации, качество продукции не являлись определяющими. При этом два первых показателя рассматривались вне их взаимосвязи. Исходя из этого, становится очевидной практическая целесообразность разработок высокоэффективных сушильных установок малой и средней мощности.
Эффективность эксплуатации сушильных модулей зависит как от их конструкции, так и от используемых режимов сушки. Последние влияют на такие важные параметры установок, как производительность и напор вентиляторов, мощность теплогенерирующих устройств. Поэтому выбор эффективного режима сушки также весьма важен.
Если решается задача выбора типа сушильного процесса, установки и режима ее работы, то вначале, естественно, выбирается тип сушильного процесса, способ его реализации (периодический или непрерывный процесс), затем - тип сушильной установки (барабанная, шахтная и т.д.), а далее для нее разрабатывается режим сушки.
Рассмотрим подробнее методы решения этих задач. Процесс сушки, как известно, может оцениваться по различным показателям, в качестве которых могут быть: производительность, энергозатраты, качество получаемого продукта, его себестоимость, прибыль и т.д. [1, 2]. Очевидно, что выбор режима только по одному такому критерию является некоторым упрощением [3].
Исходя из специфики решаемой задачи можно утверждать, что она относится к многокритериальным. При этом в зависимости от требований реализации найденных режимов сушки используемые критерии могут рассматриваться как разноважные, так и равноважные. В первом случае они могут либо свертываться в один (аддитивный), либо будет соблюден приоритет важнейшего критерия с использованием условной оптимизации. Во втором случае должен проводиться отбор недоминируемых альтернатив с использованием множества Парето [4].
Рассмотрим использование этих подходов к выбору критериев для решения многокритериальных задач [5]. При этом необходимо учитывать, что существует взаимная связь между критериями и методами оптимизации.
Отметим, что достаточно часто критериями являются функционалы (например, удельные энергозатраты, себестоимость и др.), для которых в общем случае отсутствует теоретическое обоснование применения тех или иных используемых методик оптимизации. Оно разработано лишь для отдельных методов, например, для динамического программирования.
Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной производится введением суперкритерия, т.е. скалярной функции векторного аргумента
q0{x) = q0{qi(x),q2{x),...,qp{x)).
При этом вид функции определяется тем, как мы представляем себе вклад каждого отдельного критерия в суперкритерий. Тогда оптимизация сводится к отысканию аргумента Х\ обеспечивающего максимальное (минимальное) значение суперкритерия [5]:
X* = arg min q0{qi{x),q2{x),...,qp{x)).
Применительно к решаемой нами задаче
(w*,f)=arg min q0{{qi{w,t),q2{w,t),...,qp{w,t})), tu e V, w=w(z), t e T, t=t(z).
В качестве qo можно, например, принять себестоимость получаемого сухого материала, тогда
ч.= Г-.ф.
где а; - коэффициенты, учитывающие весомость вклада каждого критерия; Si - нормирующие коэффициенты; qi,q2,...,qp - компоненты себестоимости.
С учетом специфики процесса, требований к качеству готового материала и формирования его отпускной цены для оптимизации режима сушки высокого слоя материала может быть применена условная оптимизация. При этом выделяется главный критерий, а остальные рассматриваются как дополнительные, которые могут быть заданы равенствами или неравенствами.
Очевидно, что при синтезе оптимального динамического режима сушки для высокого слоя материала необходимо обеспечить минимум или максимум одного или нескольких критериев, которыми могут являться:
- энергозатраты на сушку;
- себестоимость товарного продукта;
- удельная производительность установки;
- отдельные показатели качества сухого материала;
- сочетание вышеперечисленных критериев.
Одни из этих критериев являются функционалами, другие - функциями. Они могут быть равно - или разноважными. На некоторые функции налагается ряд ограничений: по длительности процесса, начальному и конечному влагосодержанию продукта и др.
В настоящее время в связи с высокими ценами на энергоносители, а также учитывая необходимость снижения тепловых выбросов в атмосферу, доминирующее значение имеет разработка энергосберегающих технологий.
Количество расходуемой при сушке теплоты в значительной мере зависит от степени ее использования. При этом критерием совершенства режима будут являться удельные энергозатраты или их производные.
Необходимо учитывать связь между удельными энергозатратами и удельной производительностью сушилок. Их соотношение является комплексным критерием (Кк), объединяющим эти взаимно конфликтные показатели. Он учитывает ряд факторов: способ сушки, температуру и скорость воздуха, продуваемого сквозь слой материала, его теплофизические и влагообменные характеристики, характерный размер частиц материала и др. При периодической сушке его величина меняется с течением времени [6]. Графическая интерпретация этой зависимости на примере пивоваренного солода представлена на рисунке.
■ 80-100
Рисунок. Зависимость значения Кк от времени и влажности при переменном режиме сушки
При использовании экономических критериев оценки режимов сушки может решаться несколько оптимизационных задач: получение наибольшей прибыли, минимизация себестоимости продукции, а также достижение наилучшего качества материала для завоевания потребительского спроса и т.д. Необходимая для этого общая методика оптимизации режимов сушки в настоящее время отсутствует, ее теоретическая база нуждается в развитии. Это приводит к поиску и созданию новых методик, ориентированных на типичные конкретные случаи.
Из приведенного анализа следует, что выбор типа процесса и установки должен соответствовать свойствам объекта сушки и общей цели разработки установки
- занять свободную нишу на рынке, вытеснить конкурентов, получить максимальную прибыль за короткое время и так далее. Однако выбор не будет полностью объективным и однозначным в связи с тем, что многообразие качества системы «объект сушки - конструкция установки - режим сушки» при использовании разноважных критериев оценки потребует ранжирования этих качеств. В силу физической несопоставимости этих критериев (например, производительность, удельные энергозатраты, надежность установки, удобство обслуживания, качество получаемого продукта) их ранжирование потребует использования экспертных оценок, всегда имеющих субъективную составляющую.
Однако применение формализированной системы оценок позволит получить более обоснованный результат, чем простой интуитивный выбор (даже основанный на опыте, эрудиции и интуиции). При выборе сушильной установки вначале необходимо обосновать выбор варианта производства, затем типа сушильной установки и после этого - режима сушки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dauglas P.L., Jones J.A.T., Mallick S.К. Modelling and simulation of crossflow grain dryers. Part. III. Optimization // Chem. Eng. Res. and Des.-1994.-V.72. № 3. -P. 341-349.
2. Гавриленков, A.M. Развитие научных основ, создание и реализация методов и средств повышения эффективности конвективной сушки солода в высоком слое. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени д.т.н.. - Воронеж 1997, ВГТА.
3. Гавриленков, А.М. Выбор оптимального режима сушки солода [Текст] / А. М. Гавриленков, А. Б. Емельянов / / Пиво и напитки безалкогольные и алкогольные, соки, вино. - 2000. - № 5.- С. 52 - 53.
4. Подиновский, В.В. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач [Текст] / В.В. Подиновский, В.Д. Ногин.- М.: Наука, 1982.- 256 с.
5. Соболь, И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями [Текст] / И.М. Соболь, Р.Б. Статников. -М. : Наука, 1981. -110 с.
6. Гавриленков, А.М. Экологические аспекты интенсификации конвективной сушки [Текст] / А. М. Гавриленков, А. Б. Емельянов, А. В. Шаров // Вестник ВГТА.-2012.- № 3.- С. 137 - 139.
7. Гавриленков, А.М. Проблемы повышения эффективности сушки солода [Текст] / А.М. Гавриленков, К. В. Харченков, В. И. Кулаков, А.Б. Емельянов // Brauwelt Мир пива.- 2005.-Вып. III. - С. 25-28.
REFERENCES
1. Dauglas P.L., Jones J.A.T., Mallick S.К. Modelling and simulation of crossflow grain dryers. Part. III. Optimization // Chem. Eng. Res. and Des.-1994.-V.72, N3.-P.341-349.
2. Gavrilenkov, A.M. Development of scientific bases, creation and realization of methods and means of increasing the efficiency of convective drying of malt in a high layer. Avtoref. Diss. on SOIC. academic degree doctor of technical Sciences, Voronezh 1997, the VSTA.
3. Gavrilenkov, A.M. The choice of the optimal mode of drying malt [Text] / A.M. Gavrilenkov, A.B. Emelyanov // Beer and non-alcoholic and alcoholic drinks, juices, wine. - 2000. - № 5.- C. 52 - 53.
4. Podinovskii, V.V. Pareto-optimal solutions of multicriteria problems / V.V. Podi-novskii, V.D. Nogin. - M:Nauka, 1982.- 256 p.
5. Sobol I.M. The choice of optimal parameters in problems with many criteria / I.M. Sobol, R.B. Statnikov. -M:Nauka, 1981.-110 p.
6. Gavrilenkov, A. М., Environmental aspects of intensification of convective drying [Text] / A. M. Gavrilenkov, A. B. Emelyanov, A.V. Sharov // Bulletin of the VSTA.-2012.- № 3.- C. 137 - 139.
7. Gavrilenkov, A.M. Problems of increase of efficiency of drying malt [Text] / A. M. Gavrilenkov, K.V. Cherchenkov, V.I. Kulakov, A.B. Emelyanov // Brauwelt World of beer.- 2005.-Vol. III.-C. 25-28.
