隧道炉的节能与智能化改造

隧道炉包括炉体及排潮系统、加热及控制系统、传动系统3 大部分。节能降耗贯穿于3 大部分, 智能化控制集 中在加热控制系统和传动系统上。 1 炉体及排潮系统的节能设计 1. 1 炉体节能设计方案
推荐选用金属构架炉体方案, 内衬1～ 1. 5 mm 厚的抛光铝板。这种炉体与砖砌炉体和预制构件炉体相比, 有 炉体轻巧、灵活、热惯性小的显著特点。 除此之外, 从制造工艺角度看, 可制作成各种形式, 包括分段成批制造生 产, 根据需要组成不同的长度, 便于安装和运输, 并适应各种焙烤工艺和产品的要求。 金属构架炉体由钢型构架、 内外金属板及保温材料组成[ 1 ]。
层为模糊划分层, 第三层为模糊推理层, 第四层为模糊决策层[5]。
第一层正向传播状态方程
O
(1) dp
=
x dp , (d =
1, 2, 3; p =
1, 2)
第二层正向传播状态方程
O
(2) dp
吸音的特点, 其制品最高使用温度可达600℃。硅酸铝纤维是一种絮状物, 特点是容重轻, 导热系数低, 好的弹性和 充填性, 最高使用温度可达 1 150℃。 矿棉与岩棉不仅导热系数低、容重轻, 而且最高使用温度分别为 400℃与 750℃。 炉体两内侧可用硅酸铝毡为衬材, 充填膨胀珍珠岩的保温工艺, 炉顶用硅酸铝棉作保温材料。
红外辐射元件, 从通电到温度平衡所需的时间为 2～ 4 m in, 电能—辐射能转换率Γ> 60%～ 65% , 且不需涂覆远红
外涂料, 不存在涂层脱落问题, 符合食品卫生要求, 且在580～ 640℃工作的乳白石英管辐射峰值波长恰好在淀粉、
糖、鸡蛋、豆油和水的第一吸收峰 3 Λm 附近, 刚好匹配。
炉体采用如图1 的方式安装, 向出口端倾斜。在炉顶设置3 根排气管, 流量 由底部节气阀控制, 这种设计便于炉内热空气的大涡流状自然循环。脱水上色 阶段的蒸气自然流动到中部蒸发区, 将该段附着于饼坯表面的水膜吹散, 利于 水分的蒸发与扩散; 中部的大量蒸发的水蒸气自然流至入口端, 使入炉段饼坯 迅速地膨胀和良好地糊化。
综合考虑, 才能可靠地确定带的速度。模糊推理正好能解决
图 5 模糊神经网络系统
这一问题, 模糊神经网络系统结构如图 5 所示。其工作原理
是: 采样的面火与底火温度在输入激励函数以后, 经模糊化处理, 模糊推理与解模糊环节输出控制信号, 形成决策
与结论。由于模糊规则是学习样本数据对神经网络训练后生成的, 所以需对输入输出样本空间进行类别划分, 按
0. 055
玻璃纤维制品
100～ 160 0. 041～ 0. 058
硅酸铝耐火纤维
< 90 0. 034～ 0. 037
矿棉
< 170 0. 032～ 0. 037
岩棉
< 150 0. 035～ 0. 041
由表 1 可知, 膨胀珍珠岩、硅酸铝耐火纤维、矿棉和岩棉都是好的保温材料。 膨胀珍珠岩为一种白色多孔颗粒, 不仅有优良的绝热保温功能, 同时还有无毒、无味、不腐蚀、不燃、耐酸碱、
炉体保温是节能降耗的主题之一, 保温效果的好坏, 对烤炉的加热效率影响很大, 正确选择保温材料是关键。 常用的保温材料性能比较如表 1。
表 1 常用保温材料性能比较
名 称
容重 kg·m - 3 导热系数 w · (m ·K) - 1
膨胀珍珠岩
40～ 120 0. 028～ 0. 070
蛭石 100～ 300
等分原则划分输入输出变量空间, 每一等分为一个模糊子集, X 11、X 21、X 31 分别为 、 、 区面火温度, X 12、X 22、
X 32 分别为 、 、 区底火温度, Y 11、Y 21、Y 31 为 、 、 区面火神经网络输出, Y 21、Y 22、Y 32 为 、 、 区底火
神经网络输出, YB 为带速的神经网络输出。输入变量X ij ( i = 1, 2, 3, j = 1, 2) 的最大值m axX ij , 最小值m inX ij , 将
0 引 言 随着工业的发展, 焙烤制品逐渐成为方便食品中的一个重要的组成部分, 满足了百姓的消费需求, 也为国家
提供了一定数量的积累。据国家统计局对其中917 家企业的统计结果, 2004 年焙烤食品的产量达415. 9 万t、产品 销售收入为692. 3 亿元、全年利润总额22. 5 亿元、税金总额26. 7 亿元, 比2003 年实际分别增长18. 38%、21. 8%、 9. 33% 和15% , 取得了稳步健康的发展。但其利润率之低 (2004 年度糕点行业总体销售收入利润率仅为3. 81% ) , 引起业内人士的普遍思考。这当然与2003 年以来全国粮、油、蛋、奶等农副产品相继提价和延续到2004 年春季发 生的禽流感疫情的影响有关, 但与企业内部挖潜、降低成本不无关系, 而成本的大头就是焙烤能耗。隧道炉的节能 降耗与智能化控制就是本文的核心内容。
摘 要: 隧道炉的节能与智能化是当今焙烤食品机械的一大主题。文中通过炉体、排潮系统的设计, 远红外辐射元件的合 理选择, 各分区温度、带速的神经模糊控制, 实现遂道炉的节能与智能化控制, 完成各区温度的自动跟踪和带速的正确匹 配, 保证焙烤制品的高质量。 关 键 词: 隧道炉节能; 模糊推理; 模糊决策; 模糊神经网络 中图分类号: T S210. 3 文献标志码: A 文章编号: 100522895 (2006) 0320142205
第220406卷年第9
3期 月
轻工机械 L ight Industry M ach inery
V o l. 24, N o. 3. Sep t. , 2006
[ 安装·使用·改进 ]
隧道炉的节能与智能化改造
曹乐平1, 陈理渊2, 温芝元3
(1. 湖南生物机电职业技术学院现代管理工程系, 湖南 长沙 410127; 2. 中南大学信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410083; 3. 湖南农业大学理学院, 湖南 长沙 410128)
节电率%
18. 3 25. 3
TCM 锡硅膜是最近研制与开发的极佳的远红外辐射元件, 其热效率达90% , 比常规元件节电20%～ 30% , 因
不产生电磁干扰和射频污染, 比微波炉、电磁灶节电5%～ 10%。TCM 锡硅膜可产生几乎100% 的远红外波谱, 升
温快, 时间常数非常小, 辐射加热极佳, 且有不老化, 稳定的特点, 是隧道炉加热元件的首选。
表 2 常用远红外辐射元件性能
元件名称 乳白石英管
碳化硅 普通金属管
光辐射率 ΕΚ
0. 92 0. 84～ 0. 90 0. 85～ 0. 90
峰值波长 m 2～ 5 3～ 5
3. 5～ 6. 0
表面温度 ℃
150～ 350 250～ 300 200～ 300
热惯性 小 大 较小
单耗 kW h·kg- 1 0. 186 0. 222 0. 233
2. 2 红外辐射元件的布置
对于隧道炉取上辐射距离50～ 150 mm , 下辐射距离50
～ 70 mm , 管状辐射元件间距 100～ 250 mm , 面火与底火上
下交错平衡布置, 各分为上下对称的4 个区, 如图2 所示, 各
管状辐射元件采用专门处理后的抛物线型反射罩, 并将管
图 2 炉温分区
为进一步减少能源损失, 且不致于出现排潮管中水蒸气冷凝成水倒流, 而
影响饼坯质量, 排潮管用膨胀珍珠岩管保温绝热。
2 加热部分 2. 1 远红外辐射元件选择
常用远红外辐射元件性能列于表 2。 从表中可知, 乳白石英管是良好的远
1- 带; 2- 炉体; 3- 节气阀; 4- 排气管
图 1 炉体安装示意图
其中
a
(k ij
)
与 b(k) ij
分别为函数的中点和
宽度。同样将样本数据输出区间[m
iny
ij, m
axy
ij
]3
等分,
生成输出变量
y
ij
的
3
个模糊集合 B
(k) ij
(i
=
1, 2, 3; j =
1,
2; k = 1, 2, 3) , 分别表示晶闸管{不触发, 保持, 触发}。将带速样本输出区间[m inyB , m axyB ]3 等分, 产生 3 个模糊
A
(i) dp
d1
x A
(j) dp
d2
i = 1j = 1 33
, (d =
∑∑Λ Λ ( ) ( ) x x A
(i) dp
d1
A
(j) dp
d2
i = 1j = 1
3. 2. 2 模糊神经网络
1, 2, 3, p =
1, 2) ; yB =
633
∑∑∑Ξ Λ Λ ( ) ( ) x (lB ) ij
A
(i) l1
l1
x A
(j) l2
l2
l = 1i = 1j = 1
633
∑∑∑Λ Λ ( ) ( ) x x A
(i) l1
l1
A
(j) l2
l2
l = 1i = 1j = 1
如图 6 所示, 神经模糊网络为 6 × 18 × 27 × 7 的 4 层结构, 第一层为隧道炉面火与底火的温度输入层, 第二
集合C i ( i = 1, 2, 3) , 分别表示带速的{快, 中, 慢}, 2 类输出都取单点型激励函数。通过实际经验可总结出 729 条模
糊规则[4 ]。
在该系统中, 采用加权平均的重心法解模糊。系统面火、底火温度输出和系统带速输出分别为
y dp =
33
∑∑Ξ Λ ( ) Λ ( ) x (dp) ij
段温度显示, 通过上拉电阻设置手动、编辑、复位、回零挡位, 满足不同焙烤
图 3 辐射元件的分相排布
· 1 44 ·
轻工机械 L igh t Indu stry M ach inery
2006 年第 3 期
制品的工艺要求。各区面火与底火温度高低是影响焙烤制品质量的非常重
要的因素, 通过铂热温度传感器检测面火与底火的实际温度, 作为隧道炉 的控制信息源。炉内温度变化曲线如图 4 所示。实际温度随设定温度上下
收稿日期: 2005209229 作者简介: 曹乐平 (1964- ) , 男, 湖南益阳人, 副教授, 主要从事食品机械的优化设计与智能化的教学与研究。
[ 安装·使用·改进 ]
曹乐平, 等 隧道炉的节能与智能化改造
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在各节炉体的结合部, 用石棉垫密封后, 螺栓联接成整体, 确保热量不散失, 不漏气, 并对炉体热胀冷缩进行 补偿。 另外在远红外加热管孔隙处用石棉绳密封。 1. 2 排潮系统节能设计方案
3. 2 神经模糊控制
3. 2. 1 模糊推理
隧道炉的主要工作参数为各区温度和带速, 而这些参数都与烘烤对象有关, 同时随季节变化的环境温度也对
这 2 项参数产生一定程度的影响。2 个参数可以用模糊量来
表示。带速的大小与 3 个区的温度有关联, 单一某个区的温
度不能惟一确定带速, 只能与 3 个区的面火与底火 6 个温度
底火与面火相序空间位置滞后
1 2
a
(a
为辐射元件间距)
,
各辐射元件电路中
并联反接 2 个晶闸管 (螺栓式) , 这种联接利于分组独立调温及分组调温时
三相保持对称平衡。
3. 1 温度检测与控制
各区面火与底火独立安装铂热电阻传感器[2 ]229- 233 (铂热电阻用W ZP 2
131, 上限温度 500℃, 时间常数在 30 s 以内)、下拉键盘矩阵电路和三位七
波动,
当dT dt
>
0
或dT dt
<
0 时, 表明炉内温度在上升或下降, 在生产阶段,
CPU 发出指令, 给各区中面火与底火中间隔联接的晶闸管门极以触发脉
图 4 炉内温度
冲 (脉冲频为N50H z, N 为正整数) , 控制晶闸管导通的数量与时间, 从而改 变远红外辐射元件工作的根数与功率, 控制振幅A 的大小, 实现面火与底火对设定温度的跟踪。
区间[m
inX
ij , m axX
ij
]3
等分,
形成输入变量 X
ij
的
3
个模糊集合A
k ij
(i
=
1, 2, 3; j =
1, 2; k =
1, Байду номын сангаас, 3) , 分别表示温
度的{高,
中,
低}。激励函数[3 ]
采用正态分布型
ΛA
(k ) ij
=
exp
-
x ij -
a (k) ij
b (k ) ij
2
,
状元件中心由焦点处外移 3 8 管径尺寸, 以便获得更多的 反射平行波。
保温区不设加热元件, 由焙烤制品维持该区的温度, 避免出炉时大的温度梯度使焙烤制品开裂变形。
3 控制系统
主电路各区分面火与底火, 各区的面火与底火输入三相电源, 各区中
面火与底火的各辐射管状元件按U 、V 、W 相序顺序联接电源, 如图 3 所示。