Многоуровневое автомагическое управление процессом пульсационной влаготепловой обработки сыпучих растительных продуктов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

шге. А >4. - Р.

гработ-

ищевая

Мячнн

бины и

1 ОТ?

1 7 ! J. —

красивая тех-

■краси-питков

)6.

, 1962. Иссле-> сырья 22-24.

66.012-52:631.364.6

МНОГОУРОВНЕВОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПУЛЬСАЦИОННОЙ ВЛАГОТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

Г.В. КАЛАШНИКОВ

Воронежская государственная технологическая академия

Влаготепловая обработка (увлажнение, варка, бланшировка и т. д.) круп, зернобобовых, овощей и других сыпучих растительных продуктов при производстве пищевых концентратов характеризуется низкой степенью автоматизации и отсутствием автоматического управления для технологических режимов с пульсационной подачей влаготепловых потоков. Сложность задачи состоит в выполнении жестких регламентирующих технологических норм при влаготепловой обработке продукта.

Цель настоящей работы - создание многоуровневого автоматического управления пульсационной влаготепловой обработкой сыпучих растительных продуктов в зависимости от их свойств с обеспечением требуемой точности и надежности.

Решение задач по созданию схем автоматического управления основывается на результатах экспериментальных исследований и формулах для процесса пульсационной влаготепловой обработки сыпучих пищевых продуктов в оборудовании ленточного типа при атмосферном давлении [1]. Для разработки схем использовано многоканальное управление влаготепловой обработкой. Взаимосвязанное управление процессом обработки дисперсного материала предусматривает в качестве объектов воздействия потоки теплоносителя, распыливаемой и охлаждающей жидкостей, исходного и готового продукта, а также конструктивные элементы оборудования.

По одной из предлагаемых схем управление осуществляется с определением влагосодержания, расхода исходного и готового продукта, температуры продукта и теплоносителя, амплитуды и частоты пульсации теплоносителя, частоты вращения вала пульсатора, скорости потока теплоносителя, угла наклона газораспределительной решетки, давления распыливания жидкости и перепада давлений теплоносителя [2].

В процессе влаготепловой обработки по интенсивности распыливания жидкости над слоем продукта регулируется ам плитуда и частота пульсаций потока теплоносителя. Корректирование текущего значения влагосодержания готового продукта осуществляется по амплитуде и частоте пульсаций потока теплоносителя воздействием на живое сечение пульсатора и частоту

вращения его вала. Дополнительно обеспечивается подпитка теплоносителя свежим паром и корректирование расхода пара по влагосодержанию продукта и количеству сконденсировавшегося пара. Сконденсировавшийся пар определяется по расходам теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта на основе измерения соответствующей скорости потока теплоносителя.

Таким образом, регулирование осуществляется изменением расходов теплоносителя и жидкости, живого сечения пульсатора и частоты вращения его вала, расхода свежего пара, мощности электрокалорифера, скорости потока теплоносителя, угла наклона газораспределительной решетки и расхода исходного продукта [2].

В процессе влаготепловой обработки действие каналов обусловлено следующими основными ограничениями. Варьирование мощности электрокалорифера имеет ограничения, обусловленные температурой фи-зико-химических изменений веществ продукта, например, клейстеризации крахмала, денатурации белков, карамелизации продукта. Изменение скорости потока теплоносителя связано с ограничениями по критической скорости псевдоожижения, а угла наклона газораспределительной решетки - с достижением значений угла естественного откоса продукта. Частота вращения вала пульсатора и живое сечение пульсатора обеспечиваются в зависимости от параметров пульсатора и теплоносителя. Неиспользованный после варки теплоноситель подпитывается свежим паром и снова подается на влаготепловую обработку продукта.

Изменение расхода жидкости осуществляется до достижения минимально допустимого давления распыливаемой жидкости при максимальной интенсивности ее подачи. При этом производится коррекция расхода распыливаемой жидкости по перепаду давления теплоносителя на газораспределительной решетке.

Вследствие поглощения продуктом влаги и непостоянства его физико-химических, структурно-механических свойств в процессе влаготепловой обработки изменяется гидродинамика процесса, а также влагосо-держание продукта, что вызывает необходимость установления нестационарного режима расхода теплоносителя и воды. При этом небольшое отклонение регулируемых параметров от заданных значений может привести к снижению качества продукта.

I

Рис. 1

На рис. 1 представлена схема реализации способа автоматического регулирования процессом влаготепловой обработки сыпучего продукта с повышенной конечной влажностью [3]. Схема содержит варочную камеру 1, линию 2 подачи исходного проду кта, линию 3 |,ч/,!,м?г 7силомоси; е.1Л I.: г;. :>ьслI ofji.iv 4, вентиляторе ■■ 5 с регулируемым приводом и электрокалорифером 6, линию 7 подачи жидкости, линию 8 отвода готового продукта, линию 9 подачи охлаждающей жидкости с теплообменником 10 предварительного охлаждения исходного продукта, датчики 11-26, вторичные приборы 27-40, преобразователи 41-44, локальные регуляторы 45-47, корректирующий блок 48, микропроцессор 49 и исполнительные механизмы 50-54. Датчики 11-26 предусматривают измерение расходов исходного и готового продукта, распыливаемой и охлаждающей жидкостей, влажности исходного и готового продукта, давлений распиливания жидкости, теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта, охлаждающей жидкости, скорости и температур теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта, температу р исходного продукта и продукта в рабочей зоне.

Процесс влаготепловой обработки продукта на установке осуществляется следующим образом.

Исходный продукт по линии 2 подают через дозатор на газораспределительную решетку камеры варки. По линии 3 под газораспределительную решетку вентилятором 5 через калорифер 6 и пульсатор 4 подают теплоноситель, пронизывающий снизу вверх слой продукта. Теплоноситель обеспечивает активный гидродинамический режим слоя продукта, способствующий равномерному перемешиванию продукта, находяще-

гося на газораспределительной решетке. Одновременно над слоем продукта распиливается жидкость, по-по лит*}гг 7 Достаточна го г.-

лоты и влаги обеспечивает необходимые для варки физико-химические изменения веществ в продукте. Гото-вый вареный продукт выгружается из установки на дальнейшие технологические операции.

Автоматическое управление осуществляется следующим образом. С помощью датчиков 11-26 и вторичных приборов 27-40 информация о ходе процесса влаготепловой обработки передается в микропроцессор 49, в который предварительно вводят двухсторонние ограничения на влажность

готового продукта в соответствии со стандартом и технологическими инструкциями, например на рисовую крущг в пределах 28-34%, а также ограничения на температуру продукта в зоне обработки, линейную скорость потока теплоносителя и давление распиливания: жидкости, например для круп, соответственно, в пределах 353—375 К, 0—4 м/с. 1,2—1,4 МПа. Осуществляется сравнение текущего значения влагосодержания готового продукта с заданным и производится регулированием варьируемыми параметрами.

Порядок и очередность воздействий определены алгоритмом, показанным на рис. 2.

При текущем значении влагосодержания готового продукта, измеряемого датчиком 15 и вторичным прибором 57, ниже заданного значения, например и = 0,39 кг/кг, микропроцессор 49 последовательно по каналам управления выдает сигналы. Вначале шэеобтэазовате-

Рис. 2

КН-

ПО-

ГР'ТТ..

1.^11'

фи-

)ТО-

I на

:ле-

вто-

гсса

цес-

зон-

эм и исо-[я на ную ива-го. в

СТВ-

шия

У’ЛИ-

[ены

во го при-0,39 шам ;ате-

лю 41 на уменьшение частоты вращения привода вентилятора 5 и соответственно расхода теплоносителя.. Затем преобразователю 42 на уменьшение мощности ТЭНов электрокалорифера 6 и соответственно температуры теплоносителя, далее локальному регулятору 46 через преобразователь 43 на увеличение расхода охлаждающей жидкости в линии 9 и соответственно увеличение количества сконденсированного пара, а также локальному регулятору 47 через корректирующий блок 48 на увеличение расхода распыливаемой жидкости в линии 7. Если текущее значение влагосодержа-ния продукта находится ниже заданного нижнего предельного значения (11т < £/3адН), то подают сигнал с микропроцессора 49 через преобразователь 44 и локальный регулятор 45 исполнительном}' механизму 53 на уменьшение расхода исходного продукта в линии 2 до тех пор, пока не будет выполнено условие

и^-ит =±0,05. (1)

Каждый последующий канал управления срабатывает после того, как предыдущий выйдет на свои ограничения, накладываемые на процесс влаготепловой обработки, т. е. исчерпает свои собственные ресурсы. Включение последующих каналов управления прерывается, как только влагосодержание готового продукта выйдет на заданный интервал значений. При этом осуществляется непрерывно подпитка свежим паром теплоносителя в зависимости от сконденсировавшегося пара.

При достижении линейной скоростью теплоносителя заданного нижнего предельного значения, при котором отсутствует срывание пленки жидкости с поверхности частиц продукта, например 0,7 м/с, прекращают уменьшение расхода теплоносителя.

Сравнивается текущее значение перепада давления теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта, измеряемое датчиками, соответственно, 18 и 19 и вторичными приборами 29, 32, с заданным верхним предельным значением перепада давления. При достижении заданного значения, например 0,3 КПа, прекращается увеличение расхода жидкости в линии 7.

Количество сконденсированного пара вычисляется микропроцессором 49 по расходам теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта. Данные расходы определяются на основе линейной скорости потока теплоносителя и измеряются датчиками 21 и 22 и вторичными приборами 28 к 34

ех = С'п-С"п=£р 0"п~у''п) (2)

где Сп,0 "п -расход теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта соответственно, кг/с; V , V "п -скорость потока теплоносителя на входе и выходе из слоя продукта соответственно, м/с; р - плотность теплоносителя, кг/м3; Л1 — площадь газораспределительной решетки камеры варки, м2.

При этом значения Л’ и р не изменяются в процессе влаготепловой обработки сыпучего продукта и задаются в качестве начальных данных.

Общее количество влаги, поглощенной продуктом, определяется на основе влагосодержакий готового и исходного продукта с помощью датчиков 14,15 и вторичных приборов 31 и 36. Сравнивают данные величины и затем корректируют расход жидкости в линии 7 через корректирующий блок 48 и локальный регулятор 47. Для определения необходимого расхода жидкости в линии 7 используется формула [1]

= С0 [(1 + и ")! (1 + и ') - 11 - , (3)

где Ов -расход жидкости, кг/с; Оо - расход исходного продукта, кг/с; I/ ", и' ~ влагосодержание готового и исходного продукта соответственно, кг/кг.

При текущем влагосодержании продукта выше заданного значения, например и = 0,45 кг/кг, микропроцессор 49 осуществляет включение каждого из каналов управления по следующему алгоритму':

уменьшается расход распыливаемой жидкости в линии 7 закрытием электромагнитного клапана посредством исполнительного механизма 52;

уменьшается расход охлаждаемой жидкости в линии 9 через преобразователь 43 и локальный регулятор 46:

увеличиваются мощности ТЭНов через преобразователь 42',

увеличивается расход теплоносителя в линии 3 через преобразователь 41 и исполнительный механизм 50 регулируемого привода вентилятора 5;

увеличивается расход исходного продукта в линии 2 через преобразователь 44 и локальный регулятор 45.

Если текущее значение влагосодержания продукта выше заданного верхнего предельного значения влагосодержания (Их > (4дв, то подают сигнал с микропроцессора 49 через преобразователь 44 локальному регулятору 45 на увеличение расхода исходного продукта до тех пор, пока не будет выполнено условие

и.-и^ = ±0,05 . (4)

Многоканальное автоматическое управление процессом пульсационной влаготепловой обработки сыпучих растительных продуктов позволяет:

улучшить качество готового продукта вследствие обеспечения равномерной и однородной обработки продукта;

повысить степень использования энергетического потенциала теплоносителя за счет применения его рециркуляции, добавления свежего пара с учетом конденсата и повышения степени конденсации насыщенного пара;

взаимосвязанно регулировать импульсную подачу теплоносителя и жидкости, распыливаемой над слоем продукта;

предотвратить переувлажнение частиц продукта, что стабилизирует гидродинамический режим слоя и улучшает качество готового продукта;

одновременно снижать расход жидкости в линии подачи за счет учета сконденсированного пара и равномерного распределения влаги на частицах;

снизить энергоемкость процесса посредством уменьшения требуемого количества пара вследствие возрастания его конденсации и выделения дополнительной теплоты фазового превращения.

вывод

Полученные схемы многоуровневого автоматического управления процессом пульсационной влаготепловой обработки сыпучих растительных продуктов позволяют улучшить качество готового продукта, снизить материальные и энергетические затраты и повысить точность и надежность управления процессом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов. - Воронеж: ВГУ. - 2001. -355 с.

2. Пат. 21 Ш84,МКИ' А23Ь 1/10,0050 27/00. Способ автоматического управления гидротермической обработкой дисперсного материала с импульсной подачей потока теплоносителя / Г. В. Калашников. - Оиубл. в Б.И. - 1998. - № 26.

3. Пат. 2112402, МКИ' А23Ь 1/10. Способ автоматического регу-

лирования процесса влаготепловой обработки сыпучего продукта / Г.В. Калашников. А.А. Шевцов, Ю.С. Сербулов, А.Г. Тисленко. -Опубл. в Б.И. ~ 1998. — 16.

Кафедра технической механики

Поступила .29.05.03 г.

66.015.23:665.1.03.665.37

МАССОПЕР ЕДА ЧА В ПРОЦЕССЕ ПРОТИВОТОЧНОЙ ЭКСТРАКЦИИ МАСЛА ИЗ ЧАСТИЧНО ОБЕЗЖИРЕННЫХ ФОСФОЛИПИДОВ

А.А. ЛОБАНОВ, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

Противоточная экстракция масла из частично обезжиренных фосфолипидов (ЧОФ) является второй стадией усовершенствованного процесса обезжиривания фосфолипидного концентрата [1]. На основании экспериментально полученных данных по равновесию и кинетике экстракции в системе ЧОФ-ацетон в [2] разработана математическая модель противоточной экстракции масла из ЧОФ в пульсационном экстракторе «труба в трубе», которая учитывает как массоперенос от поровой мисцеллы ЧОФ в наружную мисцеллу фос-фолипидной суспензии, так и массоперенос от последней в экстрагент [3].

Для расчета процесса противоточной экстракции масла из ЧОФ по математической модели [3] необходимо знание коэффициентов массопередачи от поровой мисцеллы ЧОФ в наружную мисцеллу суспензии и от последней в экстрагент.

Цель настоящей работы - определение этих коэффициентов массопередачи с использованием экспериментальных данных по кинетике.

Коэффициент массопередачи от поровой мисцеллы ЧОФ в наружную мисцеллу7 фосфолипидной суспензии может быть рассчитан на основании экспериментальных данных по кинетике экстракции в системе ЧОФ-ацетон [2].

Известно, что по правилу7 аддитивности сопротивление массопереносу вещества из твердых частиц равно сумме внутреннего и внешнего сопротивлений массопереносу.

Параметры внутреннего и внешнего массопереиоса связаны критериальным уравнением [4]

1

Л, Г31

где - число Шервуда; [5 и О - соответственно коэффициент

массопередачи или массоотдачи и коэффициент диффузии, относя-щиеся к одной из фаз; Мтангенс угла наклона равновесной кривой к горизонтали; В1 = / -^вн - число Био.

Число Био определяет реяшм диффузионного извлечения: внешнедиффузионный (Ш < 1), внутридиф-фузионный (В1 > 30) [5]. Для экстрагирования из твер-

ДЫХ ЧЗСТИЦ ХЗроКТбрНО СОСрСДОТО "16ЫЯС СОТТрОТ 11ВЛС1ШЯ

массопсредаче в твердой фазе [6]. В каждом конкретном случае это необходимо проверять (если ЕН > 30. то внешним сопротивлением массопередаче пренебрегаем) [4, 5].

Фосфолипидная суспензия характеризуется различным размером частиц фосфолипидов диаметром порядка 0,01 -1 мм. Средний их размер принят равным 0,5 мм. Известно, что чем меньше размер твердых частиц, тем режим извлечения ближе к внутридиффу.зион-ному. Поэтому предположим, что при экстрагировании из твердых частиц фосфолипидов со средним диаметром 0,5 мм можно пренебречь внешним сопротивлением массопередаче, особенно учитывая наличие пульсаций. Проверим это предположение.

Реальную скорость обтекания частиц фосфолипидов в экстракторе «труба в трубе» определить очень сложно из-за движения частиц вместе с потоком жидкости, наличия знакопеременных пульсаций и фильтрования через пористую перегородку. Поэтому принимаем наиболее неблагоприятный для внешнего массо-персноса режим обтекания частиц фосфолипидов экстрагентом - ламинарный. Для ламинарного режима число Шервуда практически не зависит от скорости обтекания и принимается 5/?ж =2 [5].

Коэффициент молекулярной диффузии подсолнечного масла в экстракционном бензине составляет