CC BY
126
Вестник МГТУ, том 15, №1, 2012 г.
стр. 49-53
УДК 664.951.6
Оптимизация процесса стерилизации консервов в водной среде в автоклаве АВК-30М
А.В. Кайченов1, А.А. Маслов1, А.В. Власов1, А.Р. Власова1,
Л
А.И. Прыгунов
1 Политехнический факультет МГТУ, кафедра автоматики и вычислительной техники
Л
Политехнический факультет МГТУ, кафедра технической механики
Аннотация. С помощью моделирования процесса стерилизации оптимизированы формула стерилизации консервов из гидробионтов, а также параметры регуляторов температуры стерилизованной установки АВК-30М. Оптимизированный процесс стерилизации позволяет получить экономию электроэнергии до 20 % и сократить временные затраты на 9 %.
Abstract. Sterilization formula of canned food made of hydrobionts and coefficients of the temperature regulators in the sterilizer AVK-30M has been optimized using modeling of the sterilization process. Optimized sterilization process decreases electric power consumption by 20 % and process length by 9 %.
Ключевые слова: автоматика, стерилизация, автоклав, оптимизация Key words: automatic machinery, sterilization, autoclave, optimization
1. Введение
Обеспечение населения качественными и безопасными продуктами из гидробионтов является стратегической задачей рыбной отрасли России. Создание новых видов консервов, применение новых видов консервной тары требуют разработки научно обоснованных формул стерилизации, утверждаемых затем в установленном порядке. Разработка режима стерилизации зачастую требует использования значительных энергетических, материальных и временных ресурсов. Трудоёмкость его разработки обусловлена проведением большого количества автоклавоварок, необходимых для получения и утверждения режимов стерилизации. Очевидно, что упрощение процедуры разработки возможно при использовании метода температурного моделирования. При этом для получения модели процесса, представляющей совокупность температурных моделей стерилизатора и продукта, можно значительно сократить количество необходимых автоклавоварок.
Моделирование процесса позволит повысить эффективность стерилизационных установок, сократить расход ресурсов на процесс стерилизации, повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Использование адекватных моделей позволит получить оптимальный температурно-временной режим стерилизации. Процесс стерилизации, проводимый на основании оптимальной формулы стерилизации, а также с возможностью регулирования фактического стерилизующего эффекта отличается от традиционного и был назван "модернизированный" (Власов, Кайченов, 2008; Кайченов и др., 2011a).
2. Описание объекта
Математическое описание стерилизационной установки АВК-30М для проведения традиционного процесса стерилизации консервов из гидробионтов (на примере консервов "Печень трески натуральная") получено для этапов нагрева и собственно стерилизации в виде структурных схем автоматического регулирования температуры стерилизационной камеры и температуры парогенератора
(Кайченов и др., 2011b).
Модель модернизированного процесса стерилизации получена на основе математического описания традиционного процесса. Структурная схема представлена на рис. 1.
Структурная схема состоит из пяти блоков. Блок регулирования температуры стерилизационной камеры (блок 3) включает в себя контур регулирования температуры на этапах нагрева и собственно стерилизации.
Блок расчета Т*пр (блок 4) представлен на рисунке передаточной функцией ^прод, полученной на основании теплофизических исследований консервов "Печень трески натуральная". В блоке расчета L (блок 5) выполняется вычисление фактического стерилизующего эффекта, в соответствии с текущей температурой Т*пр.
49
Кайченов А.В. и др. Оптимизация процесса стерилизации консервов...
Рис. 1. Структурная схема контура регулирования фактического стерилизующего эффекта в АВК-30М при модернизированном способе стерилизации
Блок 2 структурной схемы содержит оптимальную формулу стерилизации (о.ф.с.). На процесс управления модернизированным способом стерилизации накладываются два ограничения. В связи с тем, что консервы "Печень трески натуральная" стерилизуют традиционным способом при максимальной температуре 120 °С, температура стерилизационной камеры не должна превышать это значение. Во-вторых, температура продукта не должна превышать 115 °С, в связи с тем, что на продукт оказывается меньшее тепловое воздействие при меньших температурах, а это позволяет сохранить в продукте больше полезных веществ.
3. Получение оптимальной формулы стерилизации
Формула стерилизации оптимизирована по критерию минимальных затрат на управление процессом с учетом ограничений. Критерий оптимизации формулы стерилизации имеет следующий вид:
t
Jo.ф., = s Q(r)dT+ К] (115 - Спр„.)и + K2(L3aa - ZKOHf -<• min, (1)
о
где Kb K2 - весовые коэффициенты; £зад - заданное значение фактического стерилизующего эффекта; LKOH - значение фактического стерилизующего эффекта по окончании процесса; пят- показатели степени при штрафных величинах; Q(f) - энергозатраты на этапах И, В, D (рис. 2):
Q(T) = Qa + Qb + Qd. (2)
Рис. 2. Модернизированный способ стерилизации. Этапы технологического процесса
Первое слагаемое в выражении (1) включает в себя затраты на управление процессом стерилизации. Q(t) включает в себя три составляющие (2) - затраты на управление на этапах О,. (С и б*,,. Стерилизация на этапе С происходит при естественном охлаждении автоклава.
На этапе А осуществляется прогрев воды в стерилизационной камере до температуры стерилизации Тсткь В зависимости от этой температуры затраты на нагрев воды будут разными, следовательно, этот параметр необходимо оптимизировать. Также на этапе А электроэнергия расходуется на нагрев консервов и компенсацию потерь в окружающую среду:
Qa(t) = Gi с (Тк
Тн) + F Та Л (Тст - Тв) + G2 с2 (Тк А - Тн А),
(3)
50
Вестник МГТУ, том 15, №1, 2012 г.
стр. 49-53
где G1 - масса тела (воды), кг; с1 - теплоемкость тела (воды), Дж/(кг-К); Тн и Тк - начальная и конечная температуры в процессе нагрева соответственно, К; т - время рассматриваемого участка, с; F - площадь поверхности аппарата, м2; Тст - температура стенки, К; Тв - температура воздуха в помещении, К; G2 -масса тела (консервы), кг; с2 - теплоемкость тела (консервы), Дж/(кг-К); Тн_А; Тк_А - начальная и конечная температуры консервов в процессе нагрева соответственно, К; X - суммарный коэффициент теплопроводности при температуре стенки, Вт/(м2-К).
На этапах B и D необходимо поддерживать температуру стерилизации Тстк1 и Тстк2, то есть компенсировать теплоотдачу автоклава в окружающую среду и обеспечивать нагрев консервов:
Qb(t) = F Tb X (Тст - Тв) + G2 С2 (Тк B - Тн в), (4)
Qd(t) = F Td X (Тст - Тв). (5)
На этапе D энергозатраты на нагрев консервов незначительны и не учитываются в оценке (5). Продолжительности этапов B и D являются оптимизируемыми параметрами.
Второе и третье слагаемое в выражении (1) - "штрафные" величины J^.^, отвечающие за выполнение ограничения на модернизированный процесс стерилизации по максимальному значению температуры продукта (115 °С) и требуемому значению фактического стерилизующего эффекта Тзад (6,7 усл. мин).
Результаты проведенного исследования по определению показателей степени при штрафных величинах n и m позволили установить, что наилучшим образом интегральная оценка штрафуется при выходе за технологические ограничения при n и m, равных 4 (при весовых коэффициентах К = 100, К2 = 10).
Оптимизацию проводили методом покоординатного спуска в программе Modem_Optim, разработанной сотрудниками кафедры АиВТ МГТУ. Результаты оптимизации приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты оптимизации формулы стерилизации для консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress для автоклава АВК-30М
Оптимизируемый параметр Значения оптимизируемых параметров
Температура в стерилизационной камере Тстк\°С 119,9
Продолжительность этапа гв, мин 9,1
Продолжительность этапа rD, мин 16,5
Полученная оптимальная формула стерилизации имеет следующий вид:
16,5-9-23-16,5-20
120-115
0,19-0,16.
(6)
4. Оптимизация регуляторов температуры
В системе управления АВК-30М в контурах регулирования температуры реализована рекуррентная форма цифрового ПИД-регулятора параллельной структуры:
U(i) = U(i - 1) + a0 e(i) + a1 e(i - 1) + a2 e(i - 2), (7)
где a0 = Kp + Td / Tk, aj = Tk/ T - Kp - 2Td/ Tk, a2 = Td/ Tk, e(i) = Q(i) - Y(i); Kp - коэффициент
пропорциональной составляющей; TI - коэффициент интегральной составляющей; Td - коэффициент дифференциальной составляющей; Tk - шаг квантования; e(i) - рассогласование на i шаге; e(i-l) -рассогласование на i-1 шаге; e(i-2) - рассогласование на i-2 шаге; U(i-l) - управление на i-1 шаге; U(i) -управление на i шаге; i - номер шага квантования; Q(i) - задающее воздействие на i шаге квантования; Y(i) - регулируемый параметр на i шаге квантования.
Д-составляющая использоваться не будет в силу плавного изменения задающего воздействия (согласно режиму стерилизации) и инерционности происходящих в объекте процессов.
Коэффициенты регуляторов температуры парогенератора и стерилизационной камеры автоклава АВК-30М на этапах нагрева и собственно стерилизации оптимизированы по критерию минимальных затрат на управления с помощью программного обеспечения Reg_Sost, разработанного сотрудниками кафедры АиВТ МГТУ (рис. 3). Для оптимальной настройки параметров регуляторов был выбран следующий критерий оптимальности:
t
Js= J (e{t) + k U(t))dt —> min, (8)
о
где e(t) - рассогласование; к - весовой коэффициент; U(t) - величина управляющего воздействия.
5l
Кайченов А.В. и др. Оптимизация процесса стерилизации консервов...
Критерий оптимальности (8) позволяет минимизировать отклонение температуры от заданного значения и затраты на управление. Результаты оптимизации приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты оптимизации параметров регуляторов температуры АВК-30М
Коэффициенты регуляторов Контур регулирования температуры
Стерилизационная камера Парогенератор
Нагрев С.Стер
Кр 0,9 11,73 15 15
Ti 500 5,21 10 10
5. Проведение экспериментов
Основной задачей испытаний была экспериментальная оценка эффективности модернизированного способа стерилизации консервов, с точки зрения проведенной оптимизации.
Оценка эффективности производилась сравнением экспериментальных данных, полученных при испытаниях модернизированного и традиционного способов стерилизации. Результаты испытаний получены в ходе процесса стерилизации опытных образцов консервов "Печень трески натуральная" и представлены на рис. 3 и 4.
Результаты испытаний стерилизационной установки АВК-30М показывают, что температура и давление на протяжении процесса соответствуют заданным в формулах стерилизации. Максимальное отклонение (Д^стк) измеренного датчиком значения температуры стерилизационной камеры от заданного не превышает 5 % на этапах нагрева и охлаждения и 1 % - на этапе собственно стерилизации. Это свидетельствует о том, что работа системы регулирования соответствует требованиям к проведению процесса стерилизации.
Рис. 3. Температура, давление в стерилизационной камере и управление, поступающее на парогенератор при традиционном способе стерилизации
Рис. 4. Температура, давление в стерилизационной камере и управление, поступающее на парогенератор при модернизированном способе стерилизации
Сравнение способов стерилизации показывает, что модернизированный способ является более эффективным с точки зрения энергозатрат и времени процесса (рис. 4).
52
Вестник МГТУ, том 15, №1, 2012 г.
стр. 49-53
Потребляемая электроэнергия меньше на 20 %, продолжительность модернизированного способа стерилизации короче на 8,9 %. Это позволяет повысить коэффициент использования стерилизационной установки и уменьшить энергозатраты на выработку партии консервной продукции.
6. Заключение
Таким образом, в ходе проведенного исследования были получены оптимальная формула стерилизации для консервов "Печень трески натуральная" для автоклава АВК-30М, а также оптимальные параметры регуляторов температуры стерилизационной камеры и парогенератора. Установлено, что процесс стерилизации консервов, проведённый по модернизированному способу, позволяет получить экономию электроэнергии до 20 % по сравнению с традиционным и сократить продолжительность работы стерилизационной установки на 9 %.
Литература
Власов А.В., Кайченов А.В. Оптимизация процесса стерилизации паром в автоклавах периодического действия. Мурманск, МГТУ, 6 с., 2008.
Кайченов А.В., Власов А.В., Власова А.Р. Повышение эффективности стерилизационных установок с использованием модернизированного способа стерилизации консервной продукции. Мат. Всеросс. молодежной конф. "Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2011)". Сборник докладов. М., МГТУ "Станкин", с.62-66, 2011а.
Кайченов А.В., Гроховский В.А., Маслов А.А. Совершенствование способа стерилизации консервов из гидробионтов. Рыбное хозяйство, № 3, с. 112-113, 2011b.
53
