Установка для термовакуумной обработки пищевых продуктов как объект управления

УКД 664 956 (06)

УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

,

Выполнен анализ динамических характеристик основных элементов, определяющих длительность переходного процесса и эффективность работы установки. Получены математические зависимости, раскрывающие взаимосвязь давления в вакуумной камере, температур конденсации и испарения холодильного агента с температурой воды в накопителях и потерей массы продукта.

автоматизация, установка, термовакуумная обработка, пищевые продукты, математические модели

Используемые технологии сушки пищевых продуктов существенно различаются по продолжительности и энергетическим затратам на единицу готовой продукции. Повышение технико-экономических показателей процесса обезвоживания может достигаться совместным использованием вакуумной и холодильной технологии, технических средств и систем автоматизации.

Рассматриваемая установка может использоваться как мобильная система многофункционального назначения, включая частичную дегидратацию овощей, фруктов, дегазацию и предварительное охлаждение молока, сушку продуктов прибрежного лова и выполнения других технологических операций указанного направления в фермерских и индивидуальных хозяйствах.

Цель данной работы – составление моделей отдельных подсистем и установки в целом применительно к задачам автоматизации и повышения эффективности ее использования.

Рис. 1. Схема мобильной вакуумной сушильной установки

Модель установки [1,2] состоит из взаимосвязанных моделей элементов ее технологической схемы (рис.1): компрессор холодильной машины (КХМ); термодинамический дроссель (ДР); теплообменники для нагрева (ТП) продукта (П) и конденсации паров влаги (ТКП), расположенные в вакуумной камере (ВК); накопитель холодной воды (НХВ) с установленным в нем теплообменником (ТО) для охлаждения воды, подаваемой в ТКП, и теплообменником испарителя (ТИ) холодильной установки; накопитель теплой воды (НТВ) с теплообменником конденсатора (ТК) холодильной установки и теплообменником (ТН) для нагрева воды, подаваемой в ТП. Параллельно теплообменнику ТК включен теплообменник воздушного конденсатора (КВ), подключаемый клапаном К1 при повышении температуры воды в НТВ сверх нормативного значения. Циркуляция воды в контуре ТН-ТП осуществляется насосом Н1 при открытом клапане К3, а в контуре ТО-ТКП насосом Н2 при открытом клапане К2.

Эффективность применения такой технологии возрастает по мере снижения разности температур продукта и конденсатора пара, что может быть достигнуто применением кондуктивной схемы передачи тепла от теплоносителя к продукту и минимизацией тепловых сопротивлений остальных элементов тепловой цепи, обеспечивающих нагрев обезвоживаемого продукта и конденсацию пара влаги.

Базовыми параметрами, оказывающими определяющее влияние на выбор принципа построения, затраты энергии на единицу продукции и производительность установки, являются: – температура продукта; - давление в вакуумной камере; – температура конденсатора пара и площадь его поверхности .

Использование холодильной машины, работающей по совмещенному термодинамическому циклу, позволяет эффективно решать задачи подвода теплоты к обезвоживаемому продукту и охлаждения конденсатора, что уменьшает затраты энергии на эвакуацию парогазовой смеси из вакуумной камеры и сброс неиспользуемой теплоты в окружающую среду.

Предварительный выбор делался с учетом того, что скорость переноса потока газа с поверхности продукта к конденсатору пара пропорциональна разности давлений пара у поверхностей испарения и конденсации, т. е. разности , а эффективность термодинамического цикла определяется отношением суммы средних температур нагреваемой и охлаждаемой сред к их разности. С учетом сказанного давление выбиралось исходя из условия . Указанное условие выполняется при , и давлении в вакуумной камере .

Теплота испарения влаги, за исключением относительно малого количества, затрачиваемого на энтальпийную компенсацию вследствие разности температур испарения и конденсации, вместе с паром переносится в идеале в конденсатор. Поэтому в систему управления установкой введен КВ, позволяющий при необходимости сбрасывать излишнее тепло в атмосферу. Расход теплоносителя через ВК регулируется автоматически блоком управления по сигналу датчика температуры воды, направляемой для подогрева обрабатываемого продукта.

Необходимость в указанной регулировке существенно зависит и от полноты конденсации пара на поверхности конденсатора, что в свою очередь зависит от температурного режима, конструкции и расположения конденсатора.

Благоприятные условия конденсации формируются совокупностью процессов фазового перехода у поверхности конденсатора и скоростью подвода пара к конденсатору. В рассматриваемой области давлений 1- 4 кПа перенос вещества в вакуумной камере к конденсатору пара можно рассматривать как вязкое течение, осуществляемое под действием градиента общего давления, т. е. конденсирующихся паров и неконденсирующихся газов, образующихся при натекании воздуха в вакуумную камеру. Значительное влияние на перенос газа в вакуумной камере оказывают потоки вещества, образующиеся при откачке вакуумным насосом и в результате естественной конвекции. Своевременный учет этих факторов позволяет значительно снизить объем пара, откачиваемого вакуумным насосом.

Конденсатор пара, как и другие типы охлаждаемых ловушек, применяемых в вакуумной технике, характеризуется объемом пара, конденсирующегося на его поверхности в единицу времени, а также пропускной способностью, стабильностью температурного режима и экономичностью.

Рассматривались два варианта размещения ТКП: непосредственно в вакуумной камере и в трубопроводе, через который откачиваемый из объема камеры газ отводится в атмосферу. Результаты расчетов и рассмотренные варианты компоновки системы применительно к мобильной установке показали целесообразность размещения ТКП в трубопроводе.

Геометрия теплообменников определялась исходя из мощности N, подаваемой к продукту. Конструктивно ТКП представляет собой совокупность труб внешним диаметром 10 мм и толщиной стенки 0,25 мм. Высота трубной конструкции h=0,6 м. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной трубе определяется следующей зависимостью [3].

,

где r=2465, 5 кДж/() – теплота конденсации при температуре насыщения , где - средняя температура внешней поверхности трубки теплообменника.

Коэффициент теплопроводности и коэффициент кинематической вязкости конденсата, определяемые по средней температуре , соответственно равны: . При указанных значениях и

Среднее значение коэффициента теплоотдачи к внутренней поверхности труб составляет .

Теплообменники ТК и ТН, ТИ и ТО выполнены по схеме в трубе, причем вход ТН и выход ТП соединены с объемом НТВ, а вход ТО и выход ТКП ― с объемом НХВ. Модели теплообменников и накопителей воды представляют собой совокупность уравнений материального и теплового баланса.

Переход от моделей отдельных элементов к модели системы рассматривается как итерационный процесс взаимного согласования параметров подсистем с учетом результатов расчетов и экспериментальных данных. Моделирование отдельных элементов, оказывающих существенное влияние на качество, энергопотребление и продолжительность технологического процесса, а также системы в целом, позволяет уточнить структуру и параметры подсистем автоматизации контроля и управления установкой.

Динамические характеристики установки определяются процессами вакуумирования, испарения и конденсации, изменениями температуры воды в накопителях и режимов работы холодильной машины. Накопители воды выполняют функции аккумуляторов, сглаживающих неравномерность тепловой нагрузки на холодильную установку.

Выбор емкости накопителей проводился с учетом того, что в период вакуумирования вещества происходит процесс интенсивного испарения влаги и углубление зоны кипения в продукт. Средний диаметр пор, образующихся при вакуумной сушке говядины и рыбы (трески), имеет порядок [4]. Считая, что возможная нестабильность в энергопотреблении обусловлена механизмом углубления зоны испарения на величину , получим, что емкость накопителя воды равна

,

где - масса продукта; - удельная теплоемкость воды; - теплота парообразования воды; - относительная потеря массы в высушенном слое; - плотность продукта; - полутолщина слоя продукта; - допустимое колебание температуры воды в накопителе.

Расчеты показывают, что .

При высокотемпературной сушке скорость углубления границы кипения определяется зависимостью [5]

где - начальная влажность; - переходная влажность; - удельная плотность сырья; - коэффициент теплопередачи от воды в ТП к поверхности испаряющегося продукта; - теплота парообразования.

При линейном распределении влажности в подсушенном слое переходная влажность равна

где - равновесная влажность.

Учитывая, что масса выкипевшей воды из единицы объема сырья равна

,

а расход воды в ТП и его конструкция определялись исходя из условия где - температура поверхности продукта, среднюю по поверхности скорость углубления границы кипения можно описать следующим выражением:

Используя это выражение, найдем массовую скорость испарения влаги из продукта

где - площадь поверхности продукта.

Циркуляция теплоносителя в контурах ТП-ТН и ТКП – ТО способствует перемешиванию воды в накопителях, а перепады температур в указанных теплообменниках относительно малы, что позволяет при составлении моделей применительно к задачам управления принять скорости изменения температуры основных элементов накопителей равными. С указанными допущениями уравнение теплового баланса НТВ при открытых К1 и К3 имеет вид:

, (1)

где - температура конденсата холодильного агента.

Запишем уравнение (1) в каноническом виде:

(2)

где

(3)

символ дифференцирования;

сумма произведения удельных теплоемкостей на массу соответственно воды, корпуса накопителя и теплообменников ТК и ТН.

Поскольку является функцией давления в вакуумной камере , выразим изменение температуры в уравнении (1) следующим образом: а заменим на .

В уравнениях (1) и (2) расход холодильного агента , проходящего по теплообменнику ТК, уменьшается при открытии клапана К1, что снижает коэффициент теплопередачи на величину где - степень открытия клапана К1.

Фактическое значение коэффициента теплопередачи теплообменника ТК с учетом изменения положения клапана К1 можно вычислить следующим образом:

(4)

где - коэффициент теплопередачи теплообменника ТК при закрытом клапане К1.

Заменив на и на в уравнении (2), получим

(5)

где коэффициенты вычисляются по формулам (3) при условии замены на .

Прогрев НТВ выполняется при закрытых клапанах К1 и К3, что приводит к упрощению уравнений теплового баланса (1).

.

Или в канонической форме

(6)

где - постоянная времени НТВ в режиме прогрева.

Уравнение теплового баланса для НХВ при закрытом клапане К2

, (7)

где - температура холодильного агента в испарителе, ;

- сумма произведений удельных теплоемкостей на массу соответственно воды, корпуса накопителя, теплообменников То и ТИ.

В канонической форме

, (8)

где .

При открытом клапане К2 поток пара конденсируется на поверхности ТКП. Принимая, что вся испарившаяся влага конденсируется на поверхности ТКП, получим следующее уравнение теплового баланса для НХВ:

. (9)

Пренебрегая тепловым сопротивлением стенки ТП и учитывая, что в начале процесса х=0, а является функцией давления в вакуумной камере , запишем (9) в линеаризованной канонической форме:

(10)

где - символ отклонения.

Обозначая

,

, (11)

имеем

. (12)

Структурная схема (рис.2), построенная по полученным уравнениям, позволяет исследовать влияние изменений давления в вакуумной камере, температур конденсации и кипения холодильного агента на температуру в накопителях холодной и теплой воды.

Давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости вращения компрессора, подающего сжатый воздух в эжектор.

Производительность компрессора

(13)

где - скорость вращения; - объем, описываемый поршнем компрессора; - коэффициент подачи компрессора [6].

Линеаризуя (13), получим

(14)

Рис. 2. Структурная схема системы

Учитывая, что [6]:

(15) получим:

(16)

Подставляя (15) и (16) в (14) получим:

(17)

Уравнение (17) позволяет исследовать методом математического моделирования влияние изменений скорости вращения компрессора и параметров технологического цикла на массовую производительность компрессора.

Температура в НТВ регулируется открытием клапана К1. Регулирование обеспечивается регулятором с диапазоном пропорциональности, равным , и коэффициентом передачи в пределах указанного диапазона по сигналу отклонения текущего значения от заданной (номинальной) величины

Давление в вакуумной камере регулируется изменением давления на входе в инжектор, что достигается изменением скорости вращения компрессора по сигналу отклонения фактического значения давления в вакуумной камере от его заданного значения.

Холодопроизводительность компрессора и соответственно температура НХВ стабилизируются на заданном уровне системой управления с использованием двухпозиционного регулятора, обеспечивающего пуск компрессора холодильной машины при повышении температуры в НХВ на относительно заданного (номинального) значения.

Результаты исследования динамических характеристик установки и ее подсистем по полученным моделям будут представлены в следующей работе.

Список литературы

1. Сердобинцев устройство для вакуумной сушки пищевых продуктов / , . Патент на полезную модель № 000. Опубликовано: 27.01.2007. Бюлл. №3

2. Сердобинцев вакуумной сушки пищевых продуктов / , . Патент на изобретение № 000. Опубликовано: 10.01.2008. Бюлл. №1.

3. Селин : учебник / . - Калининград: ОГУП «Калининград. кн. изд-во», 2001.-381с.

4. Лебедев – массоперенос в процессах сублимации в вакууме / , .- М.: Энергия, 1973. -336с.

5. Шубин и тепловая обработка древесины/ . – М.: Лесная промышленность, 1990. – 336с.

6. Эрлихман в технологических процессах агропромышленного комплекса с использованием теплонасосных установок / , , . - Калининград: КГТУ, 2007. – 234с.

The thermal vacuum installation for foodstuff elaboration as a control object

E. L. Yakovleva, S. P. Serdobinzev

The dynamic characteristic analysis of fundamental elements determing the transient phenomenon duration and device operation effectiveness.

The mathematical dependences uncovering corralations pressure in vacuum - cell, condensation point and coolant evaporation between water tempreture in storage device and product mass loose are dkown.