CC BY
14
УДК 664.8/9.0.34 DOI 10.24411/2311-6447-2019-10015
Способ автоматического управления процессом электростатического копчения крупнодисперсных рыбопродуктов в пересыпающемся слое
The method of automatic control of the process of electrostatic smoking coarse products in a pouring layer
Доцент И.Н. Сухарев, (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. +7 908 139-80-67 E-mail: i.suxarev@vandex.ru
преподаватель С.Ю. Шубкин, доцент С.С. Бунеев, преподаватель А.В. Клапп (Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина) кафедра технологических процессов в машиностроении и агроинженерии, тел. +7 906 686-87-51
Associate professor I.N. Sukharev, (Voronezh State University of Engineering Technologies) Department of Machines and Apparatus of Food Production, tel. 7 908 139-80-67 e-mail: i.suxarev@yandex.ru
Teacher S.Y. Shubkin, Associate Professor S.S. Buneev, teacher A.V. Krapp (I.A. Bunin Elets State University) Department of Technological Processes in Mechanical Engineering and Agro-Engineering, tel. 7 906 686-87-51
Реферат. Предлагаемый способ автоматического управления процессом электростатического копчения крупнодисперсных рыбопродуктов в аппарате с вращающимся барабаном имеет следующие преимущества: способствует повышению производительности оборудования благодаря обеспечению согласованной работы дымогенератора и аппарата с вращающимся барабаном для электростатического копчения рыбопродуктов; обеспечивает снижение удельных энергетических затрат за счет поддержания наиболее рациональных условий протекания процесса копчения, а также за счет точного регулирования высокого напряжения на коронирующих электродах благодаря введению оперативной коррекции на случайные возмущения. Были изучены электрические характеристики процесса копчения крупнодисперсных продуктов в пересыпающемся слое. Одной из основных электрических характеристик процесса копчения в электростатическом поле является сила тока коронного разряда и степень осаждения коптильных компонентов на рыбопродукте.
Summary. The proposed method of automatic control of the process of electrostatic coarse smoked fish products in the apparatus with a rotating drum has the following benefits: helps to improve equipment performance, providing consistent behavior from the smoke machine and device with rotating drum for the electrostatic Smoking of fish products; provides reduction of specific energy costs by maintaining the most rational conditions of the Smoking process, as well as due to accurate regulation of the high voltage on the corona electrodes due to the introduction of operational correction for random disturbances. The electrical characteristics of the process of Smoking of coarse products in the interstitial layer were studied. One of the main electrical characteristics of the process of Smoking in an electrostatic field is the current strength of the corona discharge and the degree of deposition of Smoking components on fish products.
Ключевые слова: копчение, электростатическое поле, регулирование, управление, рыбопродукты.
Keywords: smoking, electrostatic field, regulation, management, fish products.
Высокая эффективность процесса электростатического копчения рыбопродуктов в аппарате с вращающимся барабаном предъявляет особые требования к системе управления процессом, в частности, к быстродействию контуров контроля и регулирования. Следовательно, для обеспечения более продуктивного выполнения процесса электростатического копчения рыбопродуктов с применением режима постоянного перемешивания необходимо разработать способ автоматического управления [9, 10].
© Сухарев И.Н., Шубкин С.Ю., Бунеев С.С., Клапп А.В., 2019
На рис. 1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом электростатического копчения рыбопродуктов в аппарате с вращающимся барабаном.
Установка состоит из коптильной камеры 1, системы подготовки и подачи дымовоздушной смеси, состоящей из дымогенератора 2, фильтра 3, ротационного насоса 4, камеры смешивания 5, камеры ионизации 6, коллектора 8. Есть устройство для отвода отработанной дымовоздушной смеси 13, конденсатор 9, рецирку-лирующий насос 10, трубопроводы 22, 27, 28, 29.
В дымогенераторе 2 находится нагреваемый термоэлементом 39 перфорированный лист 40, на который подаются опилки 36 из бункера 34, при этом дозирование подачи порции опилок 36 происходит за счет устройства 37. Визуальный контроль над процессом дымогенерации осуществляется через смотровое окно 38. В нижней части дымогенератора 2 предусмотрено поддувало 41 для удаления золы. К дымо генератору 2 подведен трубопровод 27, соединенный с насосом 3 и фильтром 4, к которому примыкает трубопровод 28, соединяющий его с камерой смешивания 5, связанной с входным патрубком 30 камеры ионизации 6, внутри которой расположены коронирующие электроды 7. Выходной патрубок 31 камеры ионизации 6 присоединен к коллектору 8, который в с связан с коптильной камерой 1, выполненной в виде барабана.
/гимЛи) щфт
п Ж
Рис. 1. Схема, реализующая способ автоматического управления процессом электростатического копчения рыбопродуктов в пересыпающемся слое
Коптильная камера 1 установлена с возможностью вращения при помощи бандажей 17 и 18, опорного 19 и приводного ролика 20. Коптильная камера 1 приводится во вращение при помощи привода 35. Коптильная камера 1 снабжена канальными насадками 14, образующими продольные каналы 15, внутри которых расположена сплошная поперечная перегородка 16, разделяющая коптильную камеру на две зоны: зону копчения и зону подсушки, при этом в зоне копчения располагается подводящая часть каналов 15, а в зоне подсушки их отводящая часть, играющая роль пассивного электрода.
Установка для электростатического копчения рыбопродуктов с применением режима постоянного перемешивания включает в себя неподвижное загрузочное устройство 11, проходящее через торцевую стенку 12 коптильной камеры 1 с закрепленным на ней же устройством для отвода отработанной дымовоздушной смеси 13, примыкающем к продольным каналам 15. В месте соединения загрузочного устройства 11с торцевой стенкой 12 предусмотрено уплотнение 42 для исключения уноса в атмосферу из коптильной камеры 1 дымовоздушной смеси и продукта.
Коптильная камера 1 соединена при помощи устройства для отвода отработанной дымовоздушной смеси 13 рециркулирующим трубопроводом 22 с входным патрубком 32 рециркулирующего насоса 10. Выходной патрубок 33 конденсатора 9 при помощи трубопровода 29, связан с камерой смешивания 5.
Установка для электростатического копчения рыбопродуктов с применением режима постоянного перемешивания оборудована разгрузочной камерой 24, в которую входит люк 25, связывающий её с коптильной камерой 1. Разгрузочная камера 24 примыкает к коптильной камере 1 при помощи специального соединительного устройства 26. По всей длине коптильной камеры 1 располагается перфорированная коническая труба 23, выполненная в комбинации из ферромагнитного и неферомагнитного материала, причем часть перфорированной конической трубы 23 из ферромагнитного материала играет роль пассивного электрода.
Коллектор 8 неподвижно размещен в разгрузочной камере 24 и примыкает одним патрубком к торцам каналов 15, а другим проходит внутрь перфорированной конической трубы 23, причем длина данного патрубка ограничивается местом установки сплошной поперечной перегородки 16. Крепление коллектора 8 к коптильной камере 1 оснащено уплотнением 42. Слой продукта 21 в коптильной камере 1 располагается на поверхности канальных насадок 14.
Схема (рис. 1), реализующая предлагаемый способ автоматического управления, включает линию 43 для подачи древесных опилок в дымогенератор 2, линию 44 для подачи рыбопродуктов в загрузочное устройство 11, линию 45 для подачи хладагента в конденсатор 9, линию 46 выгрузки готового продукта из разгрузочной камеры 24, датчики температуры 47, 48, 49, 50, расположенные в дымогенераторе 2, в трубопроводе 28, в коптильной камере 1, в конденсаторе 9, датчики влажности 51, 52, 53, расположенные в дымогенераторе 2, в трубопроводе 28, в коптильной камере 1, датчики расхода 54, 55, 56, 57, 58, расположенные на линии 43 для подачи древесных опилок, в камере смешивания 5, на линии 44 для подачи рыбопродукта в загрузочное устройство 11 в рециркулирующем трубопроводе 22, на линии 45 для подачи хладагента в конденсатор 9, на линии 46 выгрузки готового продукта из разгрузочной камеры 24, датчик уровня 60, расположенный в коптильной камере 1, датчик скорости дымовоздушной смеси 61, расположенный в трубопроводе 28, датчик заряда частиц дымовоздушной смеси 62, расположенный в камере ионизации 6, датчик частоты вращения коптильной камеры 1, расположенный на приводе 35, вторичные приборы 64-72, программируемый технологический контроллер (ПМК) 73, локальные регуляторы 74-81, исполнительные механизмы 82-89.
Способ автоматического управления процессом электростатического копчения рыбопродуктов в аппарате с вращающимся барабаном осуществляется следующим образом. Управление ведётся в супервизорном режиме. При этом стабилизация значений технологических параметров производится локальными регуляторами, задание которым устанавливает программируемый микроконтроллер. Это позволяет существенно повысить надёжность работы системы управления, т.к. в случае возникновения сбоя в программе или аппаратного отказа самого контроллера локальные регуляторы будут продолжать работать с последними установленными настройками. Применение микроконтроллера позволяет производить анализ поведения объектов управления и выбирать оптимальные настроечные параметры регуляторов исходя из определённых критериев, таких, как минимизация затрат энергоресурсов, скорость регулирования (время переходных процессов в системе).
По линии 43 в дымогенератор 2 подаются древесные опилки, расход которых стабилизируется с помощью датчика расхода 54 и локального регулятора 74 путем воздействия на исполнительный механизм 82.
Опилки направляются на перфорированный лист 40, после чего включают нагревательный элемент 39 и доводят температуру до 290-300 °С при помощи датчика 47, который измеряет и контролирует температуру внутри дымогенератора 2 на заданном уровне.
Локальный регулятор 75 стабилизирует температуру пиролиза опилок в дымо-генераторе 2, воздействуя на исполнительный механизм 83, изменяющий силу тока, подаваемого на нагревательный элемент 39.
Датчик 51 измеряет влажность дымовоздушной смеси, получаемой в дымоге-нераторе 2, подавая сигнал на вторичный прибор 64. Из дымогенератор а 2 дымо-воздушная смесь отсасывается насосом 3, проходя через фильтр 4, одновременно охлаждается и очищается от канцерогенных компонентов. Затем дымовоздушная смесь по трубопроводу 28, на котором установлен датчик 61, измеряющий и контролирующий скорость дымовых газов на заданном уровне, поступает в камеру смешивания 5.
Локальный регулятор 76 стабилизирует скорость дымовоздушной смеси в трубопроводе 28, воздействуя на исполнительный механизм 84, изменяющий объем пропускной способности насоса 3.
На трубопроводе 28 установлены датчики 48 и 52, контролирующие температуру и влажность дымовоздушной смеси, подавая сигналы на вторичные приборы 65 и 66.
Через камеру смешивания 5 дымовоздушная смесь, расход которой достигает необходимого значения при помощи датчика 55, подавая сигнал на вторичный прибор 72, поступает в камеру ионизации 6, где, проходя через зазоры между ко-ронирующими электродами 7, под действием электростатического поля интенсивно ионизируется, а затем направляется посредством каналов 15 и перфорированной конической трубы 23 через коллектор 8 в коптильную камеру 1. Численное значение заряда частиц дымовоздушной смеси измеряется датчиком 62, сигнал с которого подаётся на локальный регулятор 77, вырабатывающий управляющее воздействие на исполнительный механизм 85, позволяющий варьировать величину напряжения, подаваемого на коронирующие электроды 7.
Предварительно подготовленные рыбопродукты подаются по линии 44 в загрузочное устройство 11, их расход стабилизируется с помощью датчика расхода 56 и локального регулятора 80 путем воздействия на исполнительный механизм 88. После прохождения загрузочного устройства 11 рыбопродукты поступают в рабочее пространство коптильной камеры 1, в которой размещается слоем 21 на поверхности канальных насадок 14.
Слой рыбопродуктов 21 внутри коптильной камеры 1 измеряется и контролируется при помощи датчика уровня 60, подавая сигнал на вторичный прибор 68. Температурный режим внутри коптильной камеры 1 контролируется при помощи датчика 49, подавая сигнал на вторичный прибор 67. Датчик 53 позволяет производить измерение и контроль влажности внутри коптильной камеры 1, подавая сигнал на вторичный прибор 69. С помощью датчика 63 измеряется частота вращения коптильной камеры 1.
Локальный регулятор 79 стабилизирует перемешивание рыбопродукта и, его перемещение к разгрузочной камере 24, воздействуя на исполнительный механизм 87 регулируемого привода 35, что позволяет изменять частоту вращения коптильной камеры 1.
На линии 46 через разгрузочную камеру 24 осуществляется выгрузка готового продукта, расход которого стабилизируется с помощью датчика расхода 59 и локального риулятора 78 путем воздействия на исполнительный механизм 86.
Отработанная дымовоздушная смесь, расход которой измеряется при помощи датчика 57, подавая сигнал на вторичный прибор 70, посредством насоса 10 перемещается через рециркулирующий трубопровод 22 в конденсатор 9, температура в котором контролируется при помощи датчика 50, подавая сигнал на вторичный прибор 71.
В конденсатор 9 по линии 45 подается хладагент, расход которого стабилизируется при помощи датчика расхода 58 и локального регулятора 81 путем воздействия на исполнительный механизм 89. Дымовоздушная смесь отделяется от влаги, удаленной из продукта при его подсушке, после чего направляется в камер}' смешивания 5 для повторного её использования в процессе копчения.
Сила коронного тока, а также её зависимость от приложенного к коронирую-гцим электродам напряжения является вольт-амперной характеристикой установки для электростатического копчения и определяет нагрузку на высоковольтный генератор, а, следовательно, характеризует и величину энергопотребления на процесс копчения в электростатическом поле [2, 3]. Возникает предположение, что данные характеристики находятся в зависимости от следующих параметров процесса: относительной влажности и частоты вращения коптильной камеры.
Эффективность процесса характеризуется степенью осаждения К:
" , (1)
где С1 концентрация дымовоздушной смеси на входе в коптильную камеру; Со. - концентрация дымовоздушной смеси на выходе из коптильной камеры.
Представляет интерес выяснить характер рассматриваемых зависимостей. Для этой цели была проведена серия экспериментов. Процессу насыщения ароматом дыма подвергалось мясо толстолобика, нарезанное в виде соломки.
В ходе проведения экспериментов снималась вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) и экспериментальная зависимость степени осаждения компонентов коптильной смеси на рыбопродукте от напряжения на ко-ронирующих электродах (рис. 2 и 3).
Ю
0.8
£ 0.6
| ОА >5
0,2
/ / / /' / * / / / / Г
/ X
Ю
20
30 Ш Напряжение
50
ЦкВ
/ ч\
¡1 Vх \\ \ \
// /// / /
ж'
20
30 Ш Нтряжение -
50
ЦкВ
Рис. 2. Зависимость степени осаждения коптильных компонентов от напряжения на коронирующих электродах: -О—при а = 1,5 мин-1,1 = 60 %; -о- - при со = 3,5 мин-1, ]=78 %; -□- -со = 5,5 мин-1, ]=84 %
Рис. 3. Зависимость силы тока коронного заряда от приложенного напряжения: -О-при со = 1,5 мин-1, ] = 60 %; -о- - при со = 3,5 мин-1, }=78 %; -□- -со = 5,5 мин-1, ]=84 %
Анализируя представленные кривые, следует отметить, что при величине напряжения в диапазоне 20...40 кВ происходит резкое увеличение значения степени осаждения коптильных компонентов (рис. 2). Это можно объяснить тем, что именно в данном интервале напряжения наблюдается возникновение устойчивого коронного разряда. Увеличение влажности дымовоздушной смеси способствует тому, что уже при относительно малых значениях напряжения электростатического поля обеспечивается образование коронного заряда (рис. 3).
Распределение напряженности электростатического поля по объему зоны воздействия предварительно заряженных частиц дымовых газов на рыбопродукт крайне неравномерно. Для разработки и успешного внедрения процесса насыщения рыбопродуктов ароматом дыма в соответствии с требованиями качества необходимо обеспечить определенную равномерность поля по всему объему слоя рыбопродукта.
Неравномерность распространения напряженности поля по толщине слоя обрабатываемых рыбопродуктов обусловлена потерями по мере удаления от источника. Ввиду этого при изучении распространения электростатического поля в материалах вводят понятие глубины проникновения поля [1, 3]. При этом глубиной проникновения считается толщина слоя, на которой поле ослабевает в е раз.
Для проведения экспериментальных исследований были использованы дистанционные датчики для определения удельной мощности электростатического поля, выделяемой в коптильной камере.
На рис. 4 представлена схема расположения датчиков напряженности при проведении эксперимента. Расстояния между соседними датчиками (L) равнялись 200 мм. Теоретические предпосылки данной схемы приведены в [3]. Обработка результатов экспериментов проводилась в пакете Matlab с применением System Identification Toolbox.
Рис. 4 Схема расположения датчиков
На рис. 5 приведены зависимости, отображающие соответствие результатов расчетных и экспериментальных данных по распространению электростатического поля.
VN 7
\ ЧЧ V4 \\
Sv 2
NN N2 1/
\ Ч _ —ё L
0 0.1 0.3 0.5 0.7
Рис. 5. Распространение напряженности по длине коптильной камеры: 1 - экспоненциальный закон распределения (расчет); 2 - по экспериментальным данным
Кривая 1 характеризует экспоненциальный закон затухания по длине коптильной камеры. Кривая 2 отображает данные, полученные при измерении. Все кривые приведены в относительных единицах для того, чтобы исключить влияние КПД источника и отобразить соответствие характера полученных экспериментальных и теоретических зависимостей. При этом отклонения экспериментальных данных и данных, описываемых экспоненциальной зависимостью, на расстоянии, равном глубине проникновения поля в слой, находятся в пределах 10 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зондовые измерения электрического поля в высоковольтных установках электростатического копчения [Текст] / P.P. Аглямова, И.Х. Исрафилов, А.Т. Гали-акбаров, P.P. Саубанов // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. - 2010. - № 1. - С. 79-82.
2. Исследование вольт-амперной характеристики в высоковольтных установках электростатического копчения [Текст] / P.P. Аглямова, И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, P.P. Саубанов / / Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. - 2010. - № 1. - С. 83-88.
3. Исследование электрических полей в электрофильтре новой конструкции [Текст] / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, А.А. Нусенкис, М.В. Охотников, Д.У. Сай-гафаров // Фундаментальные исследования. - 2017. - № 10-3. - С. 443-448.
4. Китаев, С. Ю. Использование импульсного поля для электро-статического копчения [Текст] / С.Ю. Китаев Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности / / Сб. науч. тр. 2004. - № 14. -С. 33.
5. Китаев, С. Ю. Исследование влияния напряженности электро-статического поля на протекание процесса электрокопчения [Текст] / С.Ю. Китаев Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности / / Сб. науч. тр. Воронеж, 2006. - № 16. - С. 46-47.
6. Лаптев, А.Г., Очистка газов от аэрозольных частиц сепараторами с насадками [Текст] / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Р.Ф. Миндубаев Казань: 2003. - 120 с.
7. Пат. 2320179 Российская Федерация, А23В4/044. Способ автоматического управления процессом холодного копчения пищевых продуктов в электростатическом поле [Текст] / Антипов С. Т., Китаев С. Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия. - № 2006143169/13; заявл. 07.12.2006; опубл. 27.03.2008, Бюл. №> 9.
8. Пат. 2595176 РФ, МПК А23В 4/044. Способ автоматического управления процессом электростатического копчения продуктов с развитой структурой в регулируемой среде с индуктивным подводом энергии при дымогенерации [Текст] / Шахов C.B., Шубкин С.Ю., Ткачев О.А., Сухарев И.Н., Мальцева О.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий». - № 2015112153/13; заявл. 03.04.2015; опубл. 20.08.2016, Бюл. № 23.
REFERENCE
1. Probe measurements of electric field in high-voltage installations of electrostatic Smoking [Text] / R. R. Aglyamova, I. H. Israfilov, A. T. Galiakbarov, R. R. Saubanov / / Socio-economic and technical systems: research, design, optimization. - 2010. - No. 1. Pp. 79-82.
2. Research of the volt-ampere characteristic in high-voltage installations of electrostatic Smoking [Text] / R. R. Aglyamova, I. H. Israfilov, A. T. Galiakbarov, R. R. Sau-banov / / Socio-economic and technical systems: research, design, optimization. -2010. - No. 1. Pp. 83-88.
3. Research of electric fields in an electrofilter of a new design [Text] / F. R. Ismagilov, I. H. Khairullin, A. A. Nusenkis, M. V. Okhotnikov, D. U. Saigafarov / / Fundamental researches. - 2017. - No. 10-3. - Pp. 443-448.
4. Kitaev, S. Yu. Use of pulsed field for electro-static Smoking [Text] / S. Yu. Ki-taev Modernization of existing and development of new types of equipment for food industry / / SB. nauch. tr. 2004. - No. 14. - P. 33.
5. Kitaev, S. Yu. Study of the influence of the electro-static field intensity on the electro-Smoking process [Text] / S. Yu. Kitaev Modernization of existing and development of new types of equipment for the food industry / / SB. nauch. tr. Voronezh, 2006. - No. 16. Pp. 46-47.
6. Laptev, A. G., Purification of gases from aerosol particles by separators with nozzles [Text] / A. G. Laptev, M. I. Farakhov, R. F. Mindubaev Kazan: 2003. - 120 p.
7. Pat. 2320179 Russian Federation, A23B4/044. A method of automatic control of the process of cold Smoking of food products in an electrostatic field [Text] / Antipov S. T., Kitaev S. Yu.; applicant and patentee of the Voronezh state technological Academy. - No. 2006143169/13; declared. 07.12.2006; publ. 27.03.2008, Byul. No. 9.
8. Pat. 2595176 OF THE RUSSIAN FEDERATION, IPC A23B 4/044. A method of automatic control of the process of electrostatic Smoking of products with a developed structure in a controlled environment with inductive energy supply during smoke generation [Text] / Shakhov S. V., Shubkin S. Yu., Tkachev O. A., Sukharev I. N., Maltseva O. V.; applicant and patentee of the Voronezh state University of engineering technologies. - No. 2015112153/13; declared. 03.04.2015; publ. 20.08.2016, Byul. No. 23.
