逆流回轉(zhuǎn)圓筒干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開(kāi)發(fā)

1、文章編號(hào):100624303(2001 0420378205收稿日期:2001-04-03; 修訂日期:2001-06-20, 男, , , , 逆流回轉(zhuǎn)圓筒干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開(kāi)發(fā)葉長(zhǎng), 阮 奇, 黃偉鋒, 黃詩(shī)煌(福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 福建福州350002摘要:以回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)的年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型, 用單變量?jī)?yōu)化方法菲波那契法求解。應(yīng)用可視化編程語(yǔ)言Visual Basic 5. 0, 采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù), 開(kāi)發(fā)回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。軟件界面友好、操作方便、運(yùn)行可靠穩(wěn)定。算例表明:本文的數(shù)學(xué)模型和軟件為回轉(zhuǎn)干燥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更合理、更有效的手段。關(guān)鍵詞:回

2、轉(zhuǎn)干燥器; 逆流; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 菲波那契法; 面向?qū)ο? 軟件中圖分類號(hào):TQ051. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AS tudy on optimum design of countercurrent rotary dryerand application developmentYE Chang 2shen, RU AN Qi, HUA NG Wei 2feng, HUA NG Shi 2huang(Ins ti tute of Chemis try and C hemical Engineeri ng, Fuz hou Universi ty, Fuzhou 350002, ChinaAbstract

3、:The optimum design model of rotary dryer was established, which aimed at the annual total cost.The model was solved by the fibonacci method. The optimum design sof tw are of dryer was progra mmed using Visual Basic5. 0. The Window s 2type O OD programming method was used. The software can run indep

4、en 2dently and stably. The software has a friendly interface and is convenient to operate. The prac tical exa mple show s that the reasonable and effective method was obtained using the mathematical model and software in this work.Key words:rotary dryer; c ountercurrent; optimum design; fibonacci me

5、thod; object 2oriented; application 干燥廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域, 是一種能耗高的單元操作系統(tǒng), 許多研究者對(duì)干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究1,2。文獻(xiàn)1提出的逆流回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型將干燥器的體積計(jì)算簡(jiǎn)化成一個(gè)整體, 且假設(shè)濕物料溫度自始至終處于濕球溫度, 也就是說(shuō)整個(gè)干燥過(guò)程處于表面蒸發(fā)段; 文獻(xiàn)2改進(jìn)了逆流回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型, 將干燥器的體積分為物料預(yù)熱段、表面蒸發(fā)段和物料加熱段三段計(jì)算, 比較符合工程實(shí)際情況, 但其干燥器的造價(jià)與體積成線性關(guān)系, 不符合實(shí)際情況。上述模型的求解均采用落后的手工迭代計(jì)算。本文建立了逆流回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)

6、化設(shè)計(jì)新的數(shù)學(xué)模型, 該模型中干燥器的造價(jià)與干燥器體積成非線性關(guān)系, 并把干燥過(guò)程分為三個(gè)階段使之更符合實(shí)際情況。模型采用最優(yōu)化方法求解, 利用可視化Visual Basic 5. 0開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。1 回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型本文以空氣-水系統(tǒng)逆流回轉(zhuǎn)干燥器為例建立干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。當(dāng)干燥器出口溫度增大時(shí),第29卷第4期2001年12月浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JO URNA L O F Z HEJIA NG UNIVERSITY O F TEC HNO LO GYVo l. 29No. 4Dec. 2001空氣出口濕度下降, 所需的空氣量增大, 相應(yīng)的操作費(fèi)用增大, 而平均傳熱、傳

7、質(zhì)推動(dòng)力增大使干燥設(shè)備體積減小, 設(shè)備投資費(fèi)用降低; 當(dāng)空氣出口溫度降低時(shí), 操作費(fèi)用減少而設(shè)備費(fèi)增加。因此存在一最佳的空氣出口溫度使操作費(fèi)用與設(shè)備費(fèi)用總和最小。在考慮了干燥器、加熱器、風(fēng)機(jī)和除塵設(shè)備的投資折舊費(fèi)用和空氣預(yù)熱、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及干燥器散熱損失等操作費(fèi)的情況下, 建立干燥介質(zhì)出口溫度優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型, 它以年總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù), 年總費(fèi)用J (元/年 為:J =G D +G L +G Heat +G P(1其中設(shè)備年投資折舊費(fèi)用包括干燥器、加熱器、風(fēng)機(jī)和除塵設(shè)備的投資折舊費(fèi)。當(dāng)設(shè)備材料為碳鋼時(shí), 設(shè)備年投資折舊費(fèi)3為:G D =a (M &SI bV C F C Y(2式中a

8、為綜合指數(shù), 它隨企業(yè)規(guī)模、加工能力、產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)水平不同而不同, 一般可取0. 20. 4; M &SI為通貨膨脹系數(shù), 1995年通貨膨脹系數(shù)為1000. 1, 若以后各年其值未知, 可以按5%遞增計(jì)算; b 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù), c 為指數(shù), 對(duì)回轉(zhuǎn)干燥器b 、c 值分別為14、0. 66。從式(2 可知, 干燥系統(tǒng)的設(shè)備折舊費(fèi)是干燥器體積的函數(shù)。當(dāng)干燥介質(zhì)溫度低于160e 4時(shí), 較適合采用蒸汽加熱。空氣預(yù)熱費(fèi)用實(shí)際上就是消耗蒸汽所需的費(fèi)用, 它必然與預(yù)熱空氣的流量和預(yù)熱溫升有關(guān), 預(yù)熱空氣量越大、溫升越大, 則預(yù)熱費(fèi)用越大, 所以空氣預(yù)熱經(jīng)費(fèi)為G Heat 2:G Heat =L

9、T h C H 0(t 1-t 0 G air(3 G air 為空氣加熱費(fèi)用, 根據(jù)文獻(xiàn)2取其值為0. 0001423元/kJ 。風(fēng)機(jī)年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用則可用下式2計(jì)算:G P =0. 0004Q h T h(4而干燥器的熱損失與干燥器的外表面積和傳熱溫度差成正比, 損失的熱量均來(lái)自加熱蒸汽, 所以散熱損失費(fèi)用G L 為2:G L =U T h A $tG air(5式中 $t 為散熱推動(dòng)力, $t =(t 1+t 2 /2-t 0。2 工藝分析與模型求解要求得干燥系統(tǒng)的年總費(fèi)用, 由式(1 至式(5 可知, 必須求風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q h 、絕干空氣用量L 和干燥器體積V 。這三個(gè)變量都是空氣出口溫度的函數(shù)

10、, 在空氣出口溫度確定的情況下, Q h 、L 、V 是可以通過(guò)工藝衡算得到的。2. 1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)機(jī)安裝于加熱器前, 此時(shí)空氣狀態(tài)為(t 0, H 0 , 其風(fēng)量為:Q h =L(0. 773+1. 244H 0 (273+t 0 /273(6圖1 逆流回轉(zhuǎn)干燥器溫度分布示意圖2. 2 絕干空氣用量由于空氣在干燥過(guò)程中, 既是載熱體又是載濕體, 故絕干空氣用量L 必須同時(shí)滿足物料衡算和熱量衡算。物料衡算:G C (X 1-X 2 =L(H 2-H 1 (7 熱量衡算:L(I 1-I 2 =G C (C M 2t M 2-C M 1t M 1(8當(dāng)空氣出口溫度t 2已知時(shí), 由式(7 和式(8

11、 可聯(lián)立求解絕干空氣用量L 和空氣出口濕度H 2。2. 3 干燥器直徑、長(zhǎng)度及體積如圖1所示回轉(zhuǎn)干燥器的體積分為預(yù)熱段、表面蒸發(fā)段和物料加熱段三段, 采用體積給熱系數(shù)法計(jì)算2:#379#第4期葉長(zhǎng), 等:逆流回轉(zhuǎn)圓筒干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開(kāi)發(fā)V =V Ñ+V Ò+V Ó=Q Ñ/(A $t m Ñ +Q Ò/(A $t m Ò +Q Ó/(A $t m Ñ(9 式中體積給熱系數(shù)A 采用Fridma 經(jīng)驗(yàn)式4計(jì)算:A =79. 8x 0. 5L 0. 16av /D(10若能求出三段的傳熱量(Q 

12、9;、Q Ò、Q Ó 和平均傳熱溫度差($t m Ñ、$t m Ò、$t m Ó , 即可由式(9 求出V 。2. 3. 1 預(yù)熱段體積在預(yù)熱段, 物料中水分還未能蒸發(fā), 所以不存在傳質(zhì), 只有傳熱過(guò)程, 其熱量衡算式為:Q Ñ=LC H 2(t d -t 2 =G C (C M +C l X 2 (t W -t M 1 (11式中t W 為空氣在預(yù)熱段末了狀態(tài)(t d , H 2 下的濕球溫度, 對(duì)于空氣水系統(tǒng)其濕球溫度與絕熱飽和溫度在數(shù)值上相等, 即t W 、t d 和H 2符合如下關(guān)系式:H W -H 2t W -t d =-C

13、 H r W(12式(12 中H W 為濕球溫度的飽和濕度, 由H W =0. 622P S /(P -P S 計(jì)算, P S 用安托因方程6計(jì)算P S =760exp 18. 3036-273. 15+t W -46. 13103(13r W 與t W 的關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)5的數(shù)據(jù)編程回歸, 有r W =2519. 54184-3. 70795t W +0. 01527t 2W -5. 2722310-5t 3W(14由式(12 (14 可聯(lián)立求解t W 和t d , 但是式(12 (14 為高度非線性方程, 不能直接得到解析解。文獻(xiàn)1, 2均采用試差法手工計(jì)算, 工作量大。本文編程開(kāi)發(fā)軟件用計(jì)算

14、機(jī)求解, 為此, 將式(12 寫(xiě)成以下形式:f (t W =-H W -H 2t W -t d r WC H 2-1 f (t W 0f (t W =H W -H 2t W -t d r WC H 2+1 f (t W <0(15圖2 濕球溫度曲線圖該函數(shù)f (t W 如圖2所示是單谷函數(shù), 可以用菲波那契法7求濕球溫度t W 。再根據(jù)式(11 即可求出Q Ñ和t d , 最后由下式計(jì)算預(yù)熱段的$t m Ñ$t m Ñ=(t 2-t M 1 -(t d -t W /ln (t 2-t M 1 /(t d -t W 2. 3. 2 表面蒸發(fā)段表面蒸發(fā)段中, 空

15、氣傳給物料的熱量全部用于蒸發(fā)水分, 所以其熱量衡算式為:Q Ò=LC H 1(t c -t d =G C (X 1-X 2 r W +1. 88(t d -t W (16由于t d 已求出, 式(16 只有一個(gè)變量t c , 可直接求得Q Ò和t c , 然后用下式求$t m Ò:$t m Ò=(t d -t W -(t c -t W /ln (t d -t W /(t c -t W 2. 3. 3 加熱段當(dāng)物料平衡水分較小時(shí), 加熱段空氣傳給物料的熱量主要用于物料的升溫, 其傳熱量Q Ó和平均傳熱溫度差為$t m Ó:Q Ó

16、;=L C H 2(t 1-t c $t m Ó=(t c -t W -(t 1-t M 2 /ln (t c -t W /(t 1-t M 2 2. 3. 4 干燥器直徑和長(zhǎng)度的計(jì)算回轉(zhuǎn)干燥器直徑 D2#380#浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第29卷圖3 程序框圖根據(jù)以上工藝計(jì)算的分析, 在其他條件確定的情況下, 干燥器的體積、外表面積、絕干空氣用量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量均為空氣出口溫度t w 的函數(shù)。即干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)是空氣出口溫度的函數(shù)。對(duì)逆流干燥過(guò)程而言, 空氣出口溫度必然在物料進(jìn)口溫度t M 1和空氣進(jìn)口溫度t 1之間。因此, 本文采用雙層菲波那契法在區(qū)間(t M 1, t 1 內(nèi)搜

17、索求解干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。其中外層菲波那契法用于搜索最佳的空氣出口溫度, 內(nèi)層菲波那契法用于求解濕球溫度。算法程序框圖如圖3。3 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)由于回轉(zhuǎn)干燥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比常規(guī)設(shè)計(jì)復(fù)雜, 涉及到眾多參數(shù)與算法, 因而利用可視化語(yǔ)言Visual Basic 5. 08作為開(kāi)發(fā)工具, 并采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù), 使得所開(kāi)發(fā)的軟件具有功能強(qiáng)大、界面友好、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。圖4為優(yōu)化設(shè)計(jì)輸入界面之一, 可以進(jìn)行物料性質(zhì)參數(shù)、空氣性質(zhì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、費(fèi)用參數(shù)的輸入; 圖5為優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果(空氣最佳出口溫度和干燥系統(tǒng)年總費(fèi)用 輸出界面, 其它的設(shè)計(jì)結(jié)果可以通過(guò)分段式數(shù)據(jù)按鈕來(lái)查看。整個(gè)優(yōu)

18、化 設(shè)計(jì)過(guò)程可以通過(guò)軟件主窗體的菜單命令來(lái)完成。圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)輸入界面 圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)輸出界面圖6 年總費(fèi)用與空氣出口溫度關(guān)系曲線4 算 例設(shè)計(jì)一逆流回轉(zhuǎn)干燥器用于干燥硫酸銨, 要求產(chǎn)量為7000kg/h, 年工作時(shí)間為300天, 物料進(jìn)口干基含水率為3%, 溫度為25e ; 物料出口干基含水率為0. 1%, 溫度為35e ; 硫酸銨的比熱為2. 008kJ/(kg #K ; 新鮮空氣溫度為25e , 干燥器進(jìn)口空氣的溫度為85e , 濕度為0. 01, 流速為1. 5m/s; 通貨膨脹系數(shù)為1276. 41。解:將算例參數(shù)輸入軟件并運(yùn)行, 計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出算例的最優(yōu)解

19、即最佳空氣出口溫度為41e 左右, 干燥系統(tǒng)的年總費(fèi)用為15. 9萬(wàn)元/年。5 結(jié) 論(#381#第4期葉長(zhǎng), 等:逆流回轉(zhuǎn)圓筒干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開(kāi)發(fā)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型, 提出雙層菲波那契法求解模型。從圖6可看出:在最佳出口溫度? 3e 的范圍內(nèi)年總費(fèi)用增加很少, 因而總費(fèi)用對(duì)空氣出口溫度的曲線是谷底較平坦的曲線, 操作偏離最佳出口溫度不大的范圍內(nèi)均是適宜的。(2 以年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)干燥器的干燥介質(zhì)出口溫度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 能夠合理、有效地避免常規(guī)設(shè)計(jì)中憑經(jīng)驗(yàn)確定空氣出口溫度, 而造成設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)增加的問(wèn)題; 使得設(shè)計(jì)出來(lái)的回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)年總費(fèi)用最小, 優(yōu)化設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)相比在不同

20、程度上節(jié)省了費(fèi)用, 如硫酸銨逆流回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)比空氣出口溫度為50e 和55e 時(shí)的常規(guī)設(shè)計(jì)分別節(jié)省年總費(fèi)用5. 2%和12%。(3 采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù), 利用可視化語(yǔ)言Visual Basic 5. 0所開(kāi)發(fā)的回轉(zhuǎn)干燥器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件, 具有界面友好、操作方便、運(yùn)行可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)。該軟件對(duì)工程設(shè)計(jì)人員具有實(shí)用價(jià)值, 可以避免繁瑣的手工迭代計(jì)算。符號(hào)說(shuō)明A 干燥器外表面積, m 2t c 表面蒸發(fā)段末了的濕空氣溫度, e C H 空氣的濕比熱, kJ/(kg #k t d 預(yù)熱段末了的濕空氣溫度, e C l 水比熱, kJ/(kg #k T h 年工作時(shí)間, hC M 絕干物料比熱, kJ/(kg #k U 總包散熱系數(shù), kJ/(h #m 2#e D干燥器直徑, mu 空氣流速, m/s F C 設(shè)備費(fèi)用年折舊率, 1/A V 干燥器體積, m 3G C 絕干物料量, kg/h X 物料干基濕含量H 空氣的濕度, kg 水/kg 絕干空氣Y 美元與人民幣的匯率H W 濕球溫度下的空氣飽和濕度, kg 水/kg 絕干空氣Z 干燥器長(zhǎng)度, mI 濕空氣的焓, kJ/kg A 體積給熱