Введение

Автоматизация производственного процесса – применение технических средств и систем, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в этих процессах.

Сушку йодидов щелочных металлов NaI, LiI, CsI (исходных порошкообразных компонентов в производстве монокристаллов) до настоящего времени проводят в вакуум-сушильных шкафах с электрообогревом при давлениях ниже тройной точки [1]. Вследствие затрудненных в вакууме условий передачи теплоты от греющей поверхности к материалу, процесс сушки занимает значительное время (8…20 часов), является весьма энергоемким и, что особенно существенно, не обеспечивает требуемого качества готовой продукции. Неравномерный нагрев слоя и длительное воздействие повышенных температур вызывают изменения структурно-механических свойств материала; возможно также протекание окислительных реакций. Эффективным техническим решением в процессе сушки йодидов щелочных металлов является применение высокочастотного (ВЧ) нагрева. Большие значения фактора диэлектрических потерь этих материалов в сочетании с физическими достоинствами метода (независимость выделяющейся в материале мощности от его коэффициента теплопроводности и геометрических размеров, значительная величина глубины проникновения электромагнитной волны в материал) обеспечивают условия для равномерного нагрева и скоростной сушки, что, предопределяет эффективность организации процесса в промышленных масштабах. Однако, существенным препятствием на пути практической реализации технологий вакуумной сушки является отсутствие технических средств контроля за текущими параметрами процесса (влагосодержанием и температурой высушиваемого материала, мощностью внутренних источников тепла) и, как следствие, неразработанность подходов к автоматизации объектов данного класса. В настоящей статье задача управления процессом вакуумной высокочастотной сушки решается на основе применения АСУ.

Согласно работам [2,3] в электротехнологических установках ВЧ-нагрева в ряде случаев представляется возможным получать информацию о текущих параметрах ТП по электрическим параметрам режима генератора. Рассмотрим метод контроля текущего влагосодержания по мгновенным параметрам режима генератора для ВЧ-диэлектрического нагрева применительно к условиям вакуумной высокочастотной сушки йодистого натрия – материала из ряда йодидов щелочных металлов, характеризующегося резкой зависимостью диэлектрической проницаемости от влагосодержания.

На рис. 1 представлена типовая электрическая схема нагрузочного (вторичного) колебательного контура генератора для высокочастотного диэлектрического нагрева. Ее элементами являются настроечный конденсатор , индуктивность контура , рабочий конденсатор (его емкость учитывает диэлектрическую проницаемость материала), сопротивление активных потерь . Во избежание частотной расстройки контура, вызванной изменением , а, следовательно, и , последовательно с включен конденсатор постоянной емкости , причем .

Мощность и тангенс угла диэлектрических потерь могут быть выражены через параметры схемы следующим образом [2]:

(1)

(2)

где - напряжение на рабочем конденсаторе,

(см. рис. 1).

При

(3)

При диэлектрические потери сосредоточены в конденсаторе

, (4)

где .

При и формула (4) обращается в(3).

Если по условиям ТП температура материала не меняется (или поддерживается постоянной), а электрофизические свойства удовлетворяют условию , то емкость рабочего конденсатора зависит от влагосодержания.

Другими словами, влагосодержание W может быть найдено по значениям двух измеряемых напряжений:

Градуировка влагомера (получение зависимости F(C)) должна быть произведена в реальном технологическом устройстве (рабочем конденсаторе) с учетом его конструктивных особенностей. При этом зависимость диэлектрической проницаемости от влагосодержания должна быть известной.

Погрешность рассмотренного метода контроля влагосодержания обусловлена тем, что при емкость находиться из приближенной формулы (3). Максимальная относительная погрешность будет иметь место при и составит:

где -истинное и приближенное (вычисленное по приближенной формуле (3)) значения емкости рабочего конденсатора, соответственно.

Фактор диэлектрических потерь йодистого натрия, как и большинства влажных материалов, в ходе сушки уменьшается, что за собой падение мощности внутренних источников тепла и, соответственно, интенсивности сушки. В работе [3] получено выражение для определения мощности внутренних источников тепла через анодный ток и напряжение на добавочном конденсаторе, включенном последовательно с рабочим:

(6)

,

где - реактивное сопротивление элемента связи между контурами, - сопротивление активных потерь в первичном (анодном) контуре, - постоянная составляющая анодного тока генератора, - коэффициенты разложения импульса анодного тока, - эквивалентная емкость генераторной лампы и емкость добавочного конденсатора в нагрузочном (вторичном) контуре, соответственно; - напряжение на добавочном конденсаторе; - угловая частота.

Зависимость вида (6) дает возможность не только вычислять мгновенную мощность в ходе ТП, но и служит основной для управления режимом ВЧ-нагрева.

Сушка йодистого натрия, как и других йодидов щелочных металлов, характеризуется двумя стадиями (периодами): периодом основной дегидратации (первым периодом сушки) и, так называемым, вторым периодом, в течение которого происходит удаление адсорбированной воды. Именно вторая стадия процесса является наиболее продолжительной при традиционных способах сушки [4], а именно на протяжении этой стадии особенно важно контролировать текущее влагосодержание. Отсюда следует, что включение влагомера следует производить не ранее, чем будет достигнуто критическое влагосодержание ,

соответствующее переходу от первого периода сушки ко второму. Однако, для того чтобы обеспечить постоянство скорости ВЧ-сушки в первом периоде, мощность внутренних источников тепла необходимо стабилизировать [5]. О достижении критического влагосодержания можно судить по температуре: в момент, когда W=W, температура материала, до того постоянна и равная температуре дегидратации ( при давлении =40 мм рт. ст.), начинает возрастать. Вместе с тем, температура материала во втором периоде сушки не должна превышать предельно-допустимого с точки зрения качества готовой продукции значения . В момент достижения требуемого конечного влагосодержания ВЧ-нагрев следует отключить. Структурная схема АСУ процессом вакуумной высокочастотной сушки йодистого натрия разработана в соответствии с описанным алгоритмом и представлена на рис. 2, где - заданная точность достижения величин уставок.

Объект управления включает в себя: сушильную камеру, внутри которой в рабочем конденсаторе размещены контейнеры с материалом; вакуум-насос; ВЧ--генератор; регулируемый выпрямитель анодного напряжения; вспомогательное технологическое оборудование. Температура материала измеряется дистанционно через окно в сушильной камере с помощью ИК-термометра. Рабочий конденсатор подключен к генератору через элементы нагрузочного колебательного контура . Напряжения и ток контролируются электронными вольтметрами. Связь между высокочастотными напряжениями напряжением анодного питания и напряжением на входе регулируемого выпрямителя выражается соотношениями: (где - коэффициенты).

Оператор вводит исходные данные в микропроцессорный контроллер, производит загрузку сушильной камеры влажным материалом (в горячем виде при Т=60…65С), включает вакуум-насос и осуществляет вакуумирование объема камеры до остаточного давления мм рт. ст. Производится пуск АСУ. При этом открывается запорный клапан, обеспечивающий доступ паров в сушильную камеру, а на регулятор давления поступает сигнал «Установить ». ВЧ-нагрев в условиях вакуума в присутствии паров позволяет значительно увеличить рабочую напряженность поля в материале. Установка давления осуществляется путем подсоса сухого воздуха. При достижении с заданной точностью давления =40 мм рт. ст. по сигналу от компаратора 1 происходит автоматическое включение ВЧ-нагрева, а также контура автоматического регулирования мощности. На задатчике регулятора мощности установлено: , где - требуемое режимом сушки значение мощности. Текущее значение мощности рассчитывается контролером по уравнению (6) и после усиления и суммирования поступает на вход регулируемого выпрямителя через переключатель режимов нагрева (сигнал [], где - управляющее напряжение на входе выпрямителя, соответствующее номинальному анодному напряжению - управляющее воздействие, с помощью которого осуществляется стабилизация величины ). При достижении материалом температуры (с заданной точностью ) первый период сушки можно считать законченным. В этот момент по сигналу от компаратора 2 происходит автоматическое включение регулятора температуры одновременное изменение режима нагрева на входе переключателя управляющих напряжений – регулятор мощности отключается и устанавливается . Эта величина более высокой, чем в первом периоде сушки, напряженность электрического поля в материале. Уставкой регулятора температуры является величина . Когда температура материала достигает 140 (с заданной точностью ), компаратор 3 включает влагомер, т.е. осуществляется запуск вычислительной операции по формуле (5). При достижении материалом влагосодержания (с заданной точностью ) по сигналу от компаратора 4 ВЧ-нагрев отключается (устанавливается управляющее напряжение ).

Одновременно отключается регулятор температуры, происходит закрытие вентиля натекания паров , в сушильной камере устанавливается атмосферное давление . Сигнализация оператору об окончании цикла сушки и, соответственно, о необходимости выгрузки готового продукта обеспечиваются компаратором 5 и логическим элементом «И» ( с заданной точностью ).

Рассмотренная АСУ опробована при реализации процесса вакуумной высококачественной сушки йодистого натрия. На рис. 3 приведены кривые сушки материала в различных режимах. Из рисунка видно, что в режиме постоянной мощности, обеспечиваемом применением АСУ, время сушки сокращается на 11%. Кроме того, применение АСУ позволяет сократить до минимума число ручных операций и, соответственно, прямой контакт работающих с продуктом особой чистоты, за счет чего снижается его случайного загрязнения.