Возможность автоматизации процессов теплообработки в СВЧ-системах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ІЙВ0Д /

!, С.Ю. 3.09.87;

►привод а, С.В.

2;

[ЮИСТВО

упруго

ІМЄНТ0М :СТерОВ, -07; За-

шривод )в, С.В.

24-07;

)ПрИВОД

в, С. В, ^24-07;

66.041.3.001.573

ВОЗМОЖНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБРАБОТКИ В СВЧ-СИСТЕМАХ

В.А. МАТИСОН

Московский государственный университет пищевых производств

Тепловая обработка пищевых продуктов широко используется при пастеризации и стерилизации, бланшировании, экстракции, сушке и т.д. Одним из недостатков различных конструкций тепловых аппаратов с применением пара или горячей воды является их высокая инерционность, что не позволяет создать эффективную систему управления технологическим процессом.

Использование электромагнитной энергии сверхвысокой частоты позволяет решить эту задачу и на основе разработанных алгоритмических процедур создать ряд автоматизированных систем, начиная от простых, имеющих информационный характер, до более сложных, непосредственно управляющих технологическим процессом тепловой обработки.

Микроволновая энергия, распространяющаяся с очень высокой скоростью, непосредственно генерируется в объеме продукта. Перенос тепла за счет теплопроводности и конвекции является вторичным фактором. Первоначально тепло выделяется в соответствии с распределением электрической составляющей поля, диэлектрическими характеристиками обрабатываемого объекта и параметрами электродинамической системы. Таким образом, нужного распределения температуры можно достичь расчетом соответствующих конструктивных и электродинамических характеристик технологической сверхвысокочастотной камеры. В противовес конвективному нагреву, где температура нагреваемого объекта не может быть выше температуры теплоносителя или стенок нагревателя, микроволновое излучение способно обеспечить практически неограниченную температуру, связанную только с диэлектрическими характеристиками материала, изменяющими свою величину при повышении температуры. СВ¥-энергия легко проходит через материалы, из которых можно изготавливать упаковку: полиэтилен, полипропилен, стекло, бумагу, картон и т.п. При этом тепло в такой упаковке практически не выделяется и ее нагрев происходит от обрабатываемого продукта.

Составление и исследование математической модели процесса СВ¥-нагрева продуктов в таре является одной из основных задач при создачии автоматизированной системы управления.

СВЧ-термообработка характеризуется сложными нестационарными процессами поглощения микроволновой энергии и теплопереноса. Изучение этих процессов осложняется тем, что теплофизические и особенно диэлектрические характеристики, такие как удельная теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности, диэлектрическая проницаемость, коэффициент потерь и ряд других, являются функциями температуры.

Распределение тепловыделения определяется законом изменения соответствующей моды электромагнитной волны, который, в свою очередь, зависит от профиля температуры по координатам и времени.

В общем случае процесс микроволнового нагрева может быть описан известной системой уравнений изменения состояния температуры, внутренней энергии и давления с учетом внутреннего источника выделения энергии ЭМП СВЧ [1].

В связи с высокой скоростью СВУ-нагрева и достаточной равномерностью температуры по объему обрабатываемого продукта распределение ее внутри тела фактически определяется источником СВ¥-энергии и диффузионным теплопереносом. Роль конвективного теплообмена невелика при малом времени обработки. У процессов, для которых сравнительно невысок диапазон нагрева и конечная температура продукта, можно пренебречь фактором испарения влаги.

С учетом принятых ограничений и допущений система дифференциальных уравнений для нестационарной двухмерной задачи СВЧ-нагревг жидкости в цилиндрической таре с однослойной оболочкой имеет вид

дТ. і а , 6Т..

Р^ИпГ--г ^ Я<г~~

дг

1 6

при 0<г<а1

+ -■ г л

^ о ;

Х\ 6Т{ 7 ~5$

х > 0;

дТ„

Р2 2 дх г дг ^ дг I при а, < г < а.

А* б {1 6Т2

Гг ¿<р ]+ д42)

Ж .71

2~Ф~Г Г>0'

где р — плотность, кг/м3;

с — удельная теплоемкость, Дж/кг К; Xя — коэффициент теплопроводности, кг-м/с‘К;

а,, а2 — внутренний и наружный радиусы тары, м.

Индексы 1 и 2 соответствуют жидкости и таре. Уравнения (1) и (2) решаются при следующих начальных и граничных условиях.

Начальные условия:

Т12(г, <р/0) = Т0 ;

< г < а0

71 71

-----< ф < — :

2 2

граничные условия:

непрерывность теплового потока при г = а1

дТ2(аі7 <р;г)

дТ,(а,,р,-т) ,в

бг ' -Ъ'

дг

71 71

Т1(а1,<р,'т) = Т2(а1,<р,‘т);

Условие теплообмена III рода при г - а2 Я2 = ат Ша2> <Р’'Т) ~ Т,1;

<,><2; г>0,

где ат — коэффициент теплообмена с внешней средой, кг/с^К.

Условие симметрии относительно оси г

0Т1( 71

■ЗёТ‘ и 2’

0Т2, 71

_1 > — 2

Величины ф и ($ определяют удельное тепловыделение при воздействии электромагнитной энергии в слоях жидкости и тары:

(6)

0,=РХ>-Г!)-^ь^Чсо>(^х)-Я,вт(е,хПт

где Рт — мощность генератора, Вт;

Г — коэффициент отражения; а>0 — угловая частота, рад/с; б — относительная диэлектрическая проницаемость; g, у — поперечное и продольное волновые числа, 1 /м; ■

М, N, ip — электродинамические коэффициенты;

&2 — высота волновода, м.

Как видно из (6) и (7), Q и QVr> зависят от

диэлектрических свойств материала и электродинамических характеристик системы [2]. Коэффициенты М, N, чр вычисляются при решении внутренней краевой задачи электродинамики для системы на основе частично заполненного волновода сложной формы.

Анализ полученной математической модели подтвердил преимущества CßV-термообработки по сравнению с традиционными методами.

Автоматическое управление процессом тепловой обработки позволит снизить энергозатраты, повысить точность регулирования температуры, уменьшит инерционность системы и, кроме того, даст возможность получать требуемую конфигурацию температурного поля путем соответствующего проектирования конструкции электродинамической системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лыков А.В.. Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопе-реноса. — М.: Госэнергоиздат, 1963. — 535 с.

2. Матисон В.А. Методика расчета конструктивных параметров сверхвысокочастотных пастеризаторов соков и напитков / / Электронная обработка материалов. — 1992. — № 6. — С. 62-63.

Кафедра автоматизированных систем и вычислительной техники

Поступила 09.09.96

664.012.43

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ОДНОРОДНОЙ ПАРТИИ СКОРОПОРТЯЩЕГОСЯ СЫРЬЯ

А.М. ЦИРЛИН, С.А. АМЕЛЬКИН

Московский государственный университет пищевых производств

Минимизация потерь при переработке скоропортящегося сырья является актуальной для отраслей пищевой промышленности. Большое значение при этом имеет выбор производительности перерабатывающего технологического оборудования, так как интенсификация процесса ведет к потерям продукта при переработке, тогда как тщательная переработка сырья увеличивает его потери при хранении. В работах [1, 2], посвященных этому вопросу, при переработке отдельной однородной партии сырья производительность оборудования принимается постоянной. Нами поставлена задача — определить оптимальный закон изменения производительности оборудования во времени при переработке однородной партии сырья. Задача имеет следующую формулировку: найти такой закон изменения производительности оборудования u(t), чтобы за время Т переработать однородную партию сырья объемом V с минимальными потерями, т. е. с максимальным выходом полезного продукта.

Продолжительность переработки может быть заданной, если это связано с необходимостью останова оборудования, например, на ремонт, или определяться из условия оптимальности по Т. Кроме времени переработки Т и объема партии сырья V исходными данными для решения задачи должны быть изменение содержания R(t) и зависимость потерь г{и) полезного продукта в сырье от времени хранения. За начало отсчета времени принимаем момент поступления партии сырья на склад. Кроме того, обозначим текущее время t и время начала переработки партии сырья т.

В качестве критерия оптимизации выбираем общий выпуск полезного продукта т + Т

I = j[u(î) R(t) - u(t) r(u)\ dî

max

(1)

где u(t)R(t),

u(t)r(u) -

интенсивность выпуска и интенсивность потерь полезного продукта при переработке.

Так как объем партии сырья V задан по условию задачи, необходимо ввести ограничения т + Т

/и(1)сИ - V = 0 ; (2)

Это расч симос' оборул ниях (

где

усл(

ИЗВОД!

С001

време1

потерь

обору;

Onf проиэ НИ. Ф] вается

а неоЁ

SL

ди

откудг

опреде

СИМОС’

функи

то опт

Н0Л0Г1

где R

полез! партш В cj: вания завис*

и

Здес (напр{ (7) — решен

Реш; ности I