Способ управления процессом замораживания пищевых продуктов в роторном агрегате и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано как на предприятиях пищевой промышленности, так и на судах рыболовного флота. Задачей изобретения является повышение точности управления процессом замораживания и за счет этого обеспечение необходимого качества продукта и снижение энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что роторный агрегат разделен на N групп плит, включающих морозильные плиты с приблизительно одинаковой тепловой нагрузкой. Управление процессом замораживания ведется отдельно для каждой группы плит агрегата. По результатам измерения начальных температур пищевых продуктов и хладагента рассчитывается эталонная тепловая нагрузка на каждую группу плит и соответствующий расход хладагента. Далее в ходе процесса производится измерение расхода и разности температур хладагента на входе и выходе группы плит агрегата, рассчитывается фактическая тепловая нагрузка и корректируется расход хладагента в зависимости от рассогласования между эталонной и фактической тепловой нагрузкой. Устройство для реализации предложенного способа содержит подключенные к трубопроводам подачи и отвода хладагента диски с радиальными каналами для подсоединения к морозильным плитам, формирователь управляющего воздействия, реализованный в виде вычислительного управляющего блока с эталонной моделью, исполнительный механизм, регулирующие органы подвода хладагента в радиальные каналы и для каждой группы плит дополнительно снабжено датчиками температуры хладагента на входе и выходе и датчиком перемещения регулирующего органа, а для всех групп плит - датчиком начальной температуры пищевых продуктов. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано как на предприятиях пищевой промышленности, так и на судах рыболовного флота.

Известен способ управления замораживанием разнообразных пищевых продуктов в роторных морозильных агрегатах типа МАР, АРСА, FGP, YPMA [1].

Недостатком данного способа является отсутствие регулирования расхода хладагента в зависимости от тепловой нагрузки плит агрегата. Продолжительность замораживания устанавливается вручную путем изменения цикла работы агрегата.

Известен способ управления процессом замораживания путем регулирования подачи хладагента через группу плит в зависимости от положения диска (угла поворота ротора) [2].

Недостатком данного способа является отсутствие учета изменения входных характеристик сырья, хладагента, условий теплообмена, возможности корректировки течения процесса, так как управление осуществляется по жестко заданной программе (расход хладагента для группы плит в течение некоторого промежутка времени есть величина постоянная). Вследствие указанных причин колебания среднеинтегральной температуры блоков по опытным данным составляет от -5 до +8^oC от заданного значения, что приводит к снижению качества продукции из-за продолжающихся в недомороженном блоке нежелательных микробиологических и автолитических изменений или к неоправданному перерасходу энергии (при понижении температуры блоков ниже заданной). Колебания конечной температуры блоков негативно влияет на дальнейшее их хранение и последующий процесс размораживания.

Задачей изобретения является повышение точности управления процессом замораживания и за счет этого обеспечение необходимого качестве продукта и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в роторном агрегате, разделенном на N групп плит, включающих морозильные плиты с приблизительно одинаковой тепловой нагрузкой, управление процессом замораживания осуществляют отдельно для каждой группы плит агрегата. По результатам измерения начальных температур пищевых продуктов и хладагента рассчитывают эталонную тепловую нагрузку на каждую группу плит и соответствующий расход хладагента. Далее в ходе процесса измеряют расход и разность температур хладагента на входе и выходе группы плит агрегата, после чего рассчитывают фактическую тепловую нагрузку и корректируют расход хладагента в зависимости от рассогласования между эталонной и фактической тепловой нагрузкой.

В основе предлагаемого способа лежит уравнение теплового баланса.

Известно, что количество тепла, необходимое для замораживания продукта, можно определить как (1) где Q_p - необходимое количество тепла, Дж; q_п - поверхностный тепловой поток от продукта, Вт/м² ; F - площадь теплопередающей поверхности, м²; τ - время процесса, с.

Тепловой баланс удобно составить для тепловых потоков, относящихся к одной группе плит. Для замораживания в установившемся режиме без учета потерь тепла q_хл = q_n, (2) где q_хл и q_п - соответственно тепловой поток, воспринимаемый хладагентом, проходящим через группу плит и поверхностный тепловой поток от продукта, относящийся к данной группе, Вт/м².

Тепловой поток, воспринимаемый хладагентом, равен q_хл = G · C·(t_вых - t_вх)/F, (3) где G - расход хладагента через группу плит, кг/с;
C - удельная теплоемкость хладагента (в диапазоне изменения температуры ее можно считать постоянной), Дж/(кг·К);
Δt = t_вых- t_вх - разность температур хладагента соответственно на выходе и входе группы плит, ^oC.

Поверхностный тепловой поток от замораживаемого продукта изменяется во времени: от максимального значения в начале процесса, до минимального - в конце. С достаточной степенью точности это изменение можно аппроксимировать экспонентой
q_n(τ) = A · exp(-B·τ) + C, (4)
где τ - текущее время процесса, с;
A, B и C - коэффициенты, зависящие от характеристик процесса.

В то же время поверхностный тепловой поток от продукта в любой момент времени может быть определен по формуле
q_n(τ) = k ·(t_б- t_x), (5)
где k - коэффициент теплопередачи от продукта к хладагенту, Вт/(м² · K);
t_б и t_x - соответственно температура блока в данный момент времени и средняя температура хладагента, проходящего через группу плит, ^oC.

Уравнение (4) является эталонной моделью процесса замораживания (эталонной нагрузкой на группу плит), по которой устанавливается соответствующий данному моменту процесса расход хладагента через группу плит. В начальный момент эталонная модель рассчитывается с учетом выражения (5) по измеренным начальным температурам продукта и хладагента, заданным конечной температуре блока, условиям теплообмена и времени замораживания. В ходе процесса измеряется фактическая тепловая нагрузка группы плит, сравнивается с эталонной для данного момента времени и при наличии рассогласования автоматически производится корректировка расхода хладагента (в соответствии с выражением 3).

Для реализации способа, принятого за прототип, предназначено для управления процессом замораживания пищевых продуктов в роторном агрегате, разделенном на N групп морозильных плит.

Известное устройство содержит подключенные к трубопроводам подачи и отвода хладагента диски с радиальными каналами по числу групп плит для подсоединения к морозильным плитам, последовательно соединенные формирователь управляющего воздействия, а также исполнительный механизм, связанный с регулирующими органами подвода хладагента в радиальные каналы по числу групп плит.

Основным недостатком известного устройства является невысокая точность управления процессом замораживания, что приводит к снижению качества продукции и неоправданным энергетическим затратам.

Для устранения данного недостатка устройство для каждой группы плит снабжено датчиками температуры хладагента на входе и выходе и датчиком перемещения регулирующего органа, а для всех групп - датчиком начальной температуры пищевых продуктов. При этом формирователь управляющего воздействия реализован в виде вычислительного управляющего блока с эталонной моделью, к входам которого подключены соответствующие датчики.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Коллектор роторного агрегата содержит диски 1 с каналами 2 для подсоединения к плитам 3 агрегата и сегментные полости 4, сообщающиеся радиальными каналами 5 с трубопроводами подвода и отвода хладагента 6 и 7 и с группой каналов 2 (соответственно группой плит). Устройство управления включает исполнительный механизм 8 и регулирующий орган 9, устанавливаемые в каждый радиальный канал 5 подвода хладагента (т.е. для каждой группы плит), формирователь управляющего воздействия 10, датчик перемещения регулирующего органа 11, датчики температуры хладагента на входе и выходе группы плит 12 и 13, датчик начальной температуры пищевых продуктов 14.

Устройство работает следующим образом.

Управление процессом замораживания ведется отдельно для каждой группы плит агрегата. Формирователь управляющего воздействия 10, реализованный в виде вычислительного управляющего блока с эталонной моделью изменения теплового потока от продукта (эталонной тепловой нагрузкой), по заданному оператором значению конечной температуры продукта, времени цикла работы агрегата и по сигналу датчика 14, автоматически измеряющего начальную температуру продуктов на загрузочном столе, рассчитывает коэффициенты эталонной модели и вырабатывает соответствующее управляющее воздействие на исполнительный механизм 8, который перемещает регулирующий орган 9, устанавливая расход хладагента через радиальный канал 5 и соответствующую группу плит 3, соединенных с сегментной полостью 4 каналами 2.

В ходе процесса формирователь управляющего воздействия 10 по сигналам датчика перемещения регулирующего органа 11, датчиков температуры хладагента 12 и 13 на входе и выходе группы плит агрегата определяет фактический тепловой поток (тепловую нагрузку), сравнивает его с эталонным значением и при необходимости автоматически корректирует расход хладагента для достижения заданной конечной температуры продукта за цикл работы агрегата. Корректировка производится при расхождении между фактическим (измеренным) и рассчитанным (эталонным) тепловым потоком, превышающем погрешность средств измерения (1%).

Таким образом, вследствие ведения процесса замораживания по эталонной модели отдельно для каждой группы плит, позволяющего согласовать в любой момент времени интенсивность замораживания и теплового потока для группы плит, в блоке достигается заданная конечная температура (с точностью ± 1^oC) за установленное время (цикл работы агрегата). Предлагаемое устройство позволяет уменьшить требуемый расход хладагента на 20 - 30%, что также повышает экономическую эффективность работы роторного агрегата в целом.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом замораживания пищевых продуктов в роторном агрегате, разделенном на N групп морозильных плит, путем регулирования расхода хладагента через каждую группу, отличающийся тем, что предварительно измеряют начальные температуры пищевых продуктов и хладагента, в соответствии с которыми рассчитывают эталонную тепловую нагрузку на каждую группу плит, в ходе процесса для каждой группы плит измеряют расход хладагента и разность его температур на входе и выходе, в соответствии с измеренными значениями рассчитывают фактическую тепловую нагрузку и корректируют расход хладагента в зависимости от рассогласования между эталонной и фактической тепловой нагрузкой.

2. Устройство для управления процессом замораживания пищевых продуктов в роторном агрегате, разделенном на N групп морозильных плит, содержащее подключенные к трубопроводам подачи и отвода хладагента диски с радиальными каналами по числу групп плит для подсоединения к морозильным плитам, последовательно соединенные формирователь управляющего воздействия и исполнительный механизм, связанный с регулирующими органами подвода хладагента в радиальные каналы по числу групп плит, отличающееся тем, что устройство для каждой группы плит снабжено датчиками температуры хладагента на входе и выходе и датчиком перемещения регулирующего органа, а для всех групп плит - датчиком начальной температуры пищевых продуктов, при этом формирователь управляющего воздействия реализован в виде вычислительного управляющего блока с эталонной моделью, к входам которого подключены перечисленные датчики.

РИСУНКИ

Рисунок 1