Система мониторинга и регулирования температурных режимов инфракрасной обработки мясопродуктов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

J d ■ -1 п; 'i п Ч Ч f

Д Constraints

Рис. 3. Фрагмент компоновочного решения установки получения синтез-газа крупнотоннажного производства аммиака

монтажа оборудования и проезды для самоходных монтажных кранов. Крупногабаритное оборудование размещается на уровне нулевой отметки.

Представленная компоновка схемы получения синтез-газа удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к практическим схемам производств, и в целом соответствует реальным компоновкам технологических схем производства аммиака. Наличие проходов и проездов позволяет

обеспечить доступ персонала и проезд транспорта к аппаратам для ремонта, монтажа и демонтажа оборудования, обслуживания, загрузки катализаторов и пр. Колонное оборудование в полученной компоновке сгруппировано в одном месте, что соответствует требованиям промышленной эстетики и удобно для обслуживания.

Использование разработанных алгоритмов размещения оборудования и трассировки технологических ТП позволило снизить материало- и энергозатраты за счет оптимизации конфигурации сети ТП, а также сократить площадь, отведенную под размещение оборудования, и в результате -капитальные вложения на перепроектирование производства.

Литература

1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Современные методы автоматизированного конструкционного проектирования промышленных объектов с большим количеством трубопроводов: В кн. Леймит Л. Макетное проектирование; пер. с англ. М.: Мир, 1984. С. 313-331.

2. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995.

3. Панченко С.В., Образцов А.А. Разработка алгоритмов автоматизированной компоновки оборудования // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2008. № 4. C. 41-50.

4. Образцов А.А., Панченко С.В. Оптимальная трассировка трубопроводов химико-технологических производств // Автоматизация и современные технологии. 2008. № 10. C. 33-39.

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ МЯСОПРОДУКТОВ

М.А. Беляева, к.т.н.

(Московский государственный университет прикладной биотехнологии, Belyaevamar@mail.ru)

Рассмотрена система мониторинга и регулирования температурных режимов инфракрасной обработки мясопродуктов. Отражена численная реализация решения конечно-разностным методом системы уравнений тепломассопе-реноса, разработаны обобщенная модель, критерии минимизации потерь пищевой и биологической ценности, даны практические рекомендации по технологическим регламентам тепловой обработки мясных полуфабрикатов. Система мониторинга предназначена для поддержания оптимальной температуры в камере инфракрасной печи.

Ключевые слова: система мониторинга, тепломассоперенос, система дифференциальных уравнений, функционал качества, обобщенная модель, критерии минимизации.

Одним из этапов производства мясных полуфабрикатов является тепловая обработка, которую можно описать системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях. Однако аналитическое решение уравнений представляется сложными выражениями с разложением в ряд с громоздкими коэффициентами и многостадийными вычислениями, что делает их практически неприемлемыми для вычисления температурных и влажностных полей.

Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и

вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги, суммарный критерий фазового перехода. Считая образец полубесконечным тонким стержнем, 0<х<<х> и &</, для одномерной задачи получим численное решение критериальных уравнений:

эт

dFo dU dFo

d 2T dU

=—т+e-Ko-—+W(N,Fo); dN2 dFo

d 2U „ d 2T

dN2

+Pn

dN2

Lu,

(1)

где N - толщина образца (безразмерная величина); Т - относительная безразмерная температура.

Критериальные уравнения можно привести к параметрическому виду:

dt

егп dU ш

—=a-V 2t .—+-dx c dx pc

am V2U+am 8raV2t

dT

(2)

где 1 - температура продукта, К; и - влагосодер-жание, %; т - время, сек.; а, ат - коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м2/сек.; с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-К; е - критерий фазового перехода «жидкость - пар»; гП - удельная теплота парообразования, Дж/кг; р - плотность вещества продукта, кг/м3; ю - мощность объемного равномерно распределенного источника тепла, Вт; б - коэффициент термодиффузии, кг/К.

Это позволяет без упрощений с заданной точностью исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассообменного процесса в цилиндрических координатах [Беляева М.А.].

Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме

• для теплообмена:

t

n,j,k ■

ah k .

—tk +1 X lcp + ln-1,j,k

ti,m,k =

——tk +1. X cp

/

у ч \ /

/

ah .

—+1 X

/

a—

T+1

,j=1,m-1,

,i=1,n-1,

to,j,k =t г ,j,k ;j=1,m; ti,o,k = ti,i ,k ;i=^ t0,1 +11,0

t

-;tn

tn-1,m + tn,m-1

(3)

2 пт 2

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м; • для массообмена:

Un,j,k = ( + Un-1,j,k +1), j=1,n-1 ,

Xu

0uh,.k

X u

Ui,m,k = (aXU—ukp + U.,m-1,k ^(a'uh +1),i = 1,m-1,

au,— X u

Ou—

X u

(4)

U0,j,k = Ui,j,k » j=1>m, Ui,0,k=Ui,1,k,i=^

U

_u0,1+u!,0

2 "" 2

где а„, Х„ - коэффициенты влагоотдачи и влаго-проводности.

При изменении влажности и температуры нагрева продукта происходят массообменные процессы, связанные с изменениями массовых долей биологических компонентов: амино- и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных

данных получены уравнения регрессии массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов (фрагмент представлен в таблице).

Объединив уравнение тепломассопереноса с уравнениями регрессии, получим обобщенную модель процесса тепловой обработки, а на ее основе - алгоритмы оптимизации по критериям минимизации потерь пищевой и биологической ценности продукта [Беляева М.А.].

Изменение массовых долей ингредиентов биологической ценности

Аминокислоты (г/100 г белка) Математические описания

Треонин Ma=0.48 - 0.09tij - 0.001^

Серин Ma=2.205 - 0.066tij - 0.001t2y

Глутаминовая кислота Ma=11.178 + 1.212tij - 0.014t2y

Жирные кислоты (%)

Пальмитолеиновая Mq=7.843 - 0.144tij + 0.002t2y

Гептадеценовая Mq=1.974 - 0.107tij + 0.001t2y

Олеиновая Mq=36.945 - 0.175tij + 0.005t2y

Линолевая Mq=26.706 - 0.874tij + 0.01t2y

Гадолеиновая Mq=2.307 - 0.069tij + 0.001t2y

Эйкозендиеновая Mq=1.184 - 0.058tij + 0.001t2y

Витамины (мг, %)

Рибофлавин (витамин В2) Mv=0.515 - 0.0066t ij - 0.003t2ij

Тиамин (витамин В1) Mv=0.791 - 0.0088t ij - 0.00002t2ij

Пиридоксин (витамин В6) Mv=2.076 - 0.00207t ij - 0.005t2y

Оптимальная температура по каждому критерию минимального отклонения от исходных определялась методом дробного шага на унимодальном участке изменения критерия в интервале 1о 1гаах или методом прямого перебора от 0 до 1;тах с нахождением всех локальных экстремумов и выделением унимодальных участков функции. Из совокупности локально-оптимальных решений лучшая альтернатива находится по функционалу качества, преобразованному в функцию полезности Фк с минимальной суммой квадратов отклонений получаемых значений критериев от их локальных экстремумов ¥кор1:

V

"¥к/

=s

v-

¥kp'

; k=1,n,

(5)

где ¥k°pt - оптимальная величина k-го критерия;

- значение k-го критерия в 1-й альтернативе.

Разработан программный комплекс, модули компьютерной системы функционируют в средах Windows 95/NT/98/ME/2000/ХР/2003,2007, для вывода результатов вычислений на экран были использованы элементы MSFlexGrid языка программирования VBA, интерфейсы написаны в Delphi, основные процедуры - в Object Pascal, графическая среда LabVIEW [Беляева М.А.].

г=1

un-1,m+un,m-1

Для поддержания оптимальных температурных режимов разработана система мониторинга и регулирования температуры в печи с инфракрасным энергоподводом на базе персонального компьютера с использованием программной среды ЬаЪУШШ и N1 ВЛд,-пл?п РОХ-модулей. Данная система была использована в связи с относительной простотой аппаратурного оформления, надежностью и визуальностью интерфейса программного обеспечения (см. рис.).

Разработанная система функционирует следующим образом: аналоговые сигналы с датчика температуры поступают на ОА^-плату - многофункциональное устройство сбора данных, где преобразуются в цифровой код, фильтруются от помех и преобразуются в величины, соответствующие выбранным единицам измерения (в данном случае преобразование производится в вольтах). Далее сигнал в цифровом виде вводится в компьютер, где с помощью программного продукта «Контроль и регулирование температуры», разработанного в среде ЬаЪУШШ, усредняется за заданный временной интервал, тарируется с помощью коэффициентов в градусы Цельсия, выводится на монитор виртуального осциллографа и сравнивается с критическими величинами. Использование виртуального осциллографа позволяет отслеживать изменение температуры во времени. Если текущее значение сигнала выходит за заданный предел, на экране монитора загорается сигнальная лампа. Далее сигнал поступает на регулирующее устройство включения-выключения инфракрасной лампы.

Использование среды графического программирования ЬаЪУШШ позволяет быстро создавать виртуальные приборы с большими возможностя-

ми для анализа и с интерфейсом, удобным для пользователя (Компьютерная система контроля и регулирования температуры в научном эксперименте с использованием среды LaЪУIEW. М.Н.Орешина, М.А. Беляева. Свид-во об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2007611824 по заявке № 2007610997).

Применение N1 DAQ-устройств позволяет быстро и безопасно изменять способы подключения датчиков к измерительным цепям. Ранее разработчики системы сбора данных затрачивали большое количество времени, определяя типы сигнала, подключения, уравнения преобразования и единицы измерения. Применение современных информационных технологий устраняет эти недостатки и совершенствует работу системы в целом.

Литература

Беляева М.А. Моделирование и оптимизация управления качеством мясных изделий в процессе тепловой обработки. М.: ООО «Франтера», 2006. 248 с.

ПАРАЛЛЕЛИЗАЦИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ НА БЛОЧНО-СТРУКТУРИРОВАННЫХ СЕТКАХ

(Работа выполнена при поддержке Российской программы поддержки ведущих научных школ,

грант НШ-5917.2008.8)

Д.К. Зайцев, к.ф.-ж.н.; Е.М. Смирнов, д.ф.-м.н.; С.А. Якубов, к.ф.-м.н.

(Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, aero@phmf.spbstu.ru)

Рассматриваются некоторые особенности эффективного применения технологии MPI при решении ресурсоемких задач вычислительной гидродинамики на кластерных системах с использованием блочно-структурированных расчетных сеток. Даны рекомендации по организации межпроцессорного обмена данными для повышения эффективности распараллеливания.

Ключевые слова: параллельные вычисления, гидродинамика, численное моделирование, блочно-структури-рованные сетки.

Расчеты сложных турбулентных потоков в условиях реальной геометрии моделируемого объекта прочно вошли в практику в самых разных областях науки и техники - от энергетики и строи-

тельства до медицины и экологии. Стационарные расчеты на сетках до полумиллиона ячеек на современном персональном компьютере занимают несколько часов и часто рассматриваются как ря-