Способ автоматического управления экструдером

 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к автоматизации процессов переработки биополимеров. Оно может быть использовано в устройствах для производства экструдированных продуктов, а также и в других производствах, использующих экструзию. Способ автоматического управления экструдером предусматривает измерение температуры и давления материала в предматричной зоне, расхода и влажности исходного сырья, расхода охлаждающего агента, мощности регулируемого привода экструдера с воздействием на частоту вращения шнека экструдера и на расходы охлаждающего агента и исходного сырья. Экструдат после матрицы подают в вакуум-камеру. Расход и влажность экструдата измеряют на выходе из вакуум-камеры. Устанавливают требуемое значение температуры в предматричной зоне экструдера путем изменения мощности привода насоса, подающего охлаждающую воду на корпус экструдера. Дополнительно измеряют давление среды в вакуум-камере и устанавливают требуемое соотношение давлений в предматричной зоне экструдера и вакуум-камере путем изменения мощности привода вакуум-насоса. Также измеряют температуру и расход испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры на конденсацию в двухсекционный испаритель холодильной машины, секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации. Измеряют также температуру осушенного воздуха, выходящего из испарителя, температуру охлаждающей воды, направляемой из секции регенерации испарителя холодильной машины на охлаждение корпуса экструдера. Причем охлаждающая вода циркулирует по замкнутому циклу "корпус экструдера - секция регенерации испарителя холодильной машины - корпус экструдера". Кроме того, измеряют температуру хладагента на входе в испаритель и расход хладагента, выходящего из секции испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, а также мощность привода вакуум-насоса, мощность привода насоса охлаждающей воды и мощность привода компрессора. По измеренным значениям расхода и влажности исходного сырья и экструдата вычисляют количество испарившейся влаги в вакуум-камере и конденсирующейся в секции испарителя, в соответствии с которым устанавливают расход хладагента секционного испарителя, воздействуя на мощность привода компрессора холодильной машины. По текущим значениям количества испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры, и ее температур до и после секционного конденсатора и температуры хладагента на входе в секцию испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от испарившейся влаги к хладагенту. При достижении предельно минимального значения коэффициента теплопередачи производят переключение секции испарителя, работающей в режиме конденсации, на регенерацию с одновременным включением на режим конденсации секции, работавшей в режиме регенерации. Изобретение позволяет стабилизировать температурный режим на минимально допустимом уровне в предматричной зоне экструдера. 1 ил.

Изобретение относиться к пищевой промышленности, а именно к автоматизации процессов переработки биополимеров. Оно может быть использовано в устройствах для производства экструдированных продуктов, а также и в других производствах, использующих экструзию.

Известно устройство управления тепловым режимом экструзии, содержащее цилиндр экструдера, секционированный по тепловым зонам, нагревательно-охлаждающие средства зон, датчики и задатчики температуры зон и теплофизических параметров расплава полимера на выходе экструдера, первые и вторые элементы сравнения, регуляторы температуры зон, корректирующий регулятор и корректоры, причем датчики и задатчики температуры зон соединены через первые элементы сравнения с регуляторами температуры зон, выходы которых подключены к нагревательно-охлаждающим средствам зон, датчики и задатчики теплофизических параметров расплава соединены через вторые элементы сравнения с корректирующим регулятором, выход которого через корректоры соединен с первыми элементами сравнения, а также с целью повышения качества получаемых изделий, оно снабжено сумматором и экстремальным регулятором, входом подключенным через сумматор к выходам вторых элементов сравнения, а выходами - к корректорам [Авторское свидетельство СССР N 1366416, кл. 4 В 29 С 47/92, 15.01.88. Бюл. N 2].

Недостатком данного устройства является невозможность проведения процесса экструзии при температурах ниже температуры инактивации термолабильных веществ, содержащихся в исходном сырье.

Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического управления экструдером, предусматривающий измерение момента вращения рабочего органа, температуры материала у выхода из экструдера в предматричной зоне с воздействием на дозирование подаваемого материала и на обороты рабочего органа, также измеряют влажность и расход исходного сырья, греющего или охлаждающего агента, расход и влажность экструдата, давление материала в предматричной зоне, мощность регулируемого привода экструдера, устанавливают частоту вращения шнека экструдера по измеренным значениям расхода и влажности исходного сырья, а также расход греющего или охлаждающего агента по температуре материала перед матрицей, корректируют режим управления по текущему значению конечной влажности экструдата, причем при отклонении конечной влажности экструдата от заданного значения в сторону увеличения корректируют режим управления на первом уровне регулирования, в соответствии с которым увеличивают частоту вращения шнека до достижения текущего значения давления материала в предматричном пространстве максимально допустимого значения, а затем в работу вступает второй уровень регулирования, в соответствии с которым увеличивают расход греющего агента до достижения текущего значения температуры максимально допустимого значения, а при отклонении конечной влажности экструдата от заданного значения в сторону уменьшения снижают частоту вращения шнека до достижения текущего значения давления материала в предматричном пространстве минимально допустимого значения - первый уровень регулирования, далее регулирование идет по второму уровню, предусматривающему уменьшение расхода греющего агента до достижения текущего значения температуры минимально допустимого значения, по данным измеренных значений расхода исходного сырья, греющего или охлаждающего агента и потребляемой мощности регулируемого привода экструдера непрерывно вычисляют величину стоимости суммарных энергетический и материальных затрат, приходящихся на единицу массы получаемого продукта, вычисляют знак ее производной по расходу исходного сырья, по которому воздействуют на расход исходного продукта в антибатной зависимости [Патент РФ N 2130831, кл. 6 В 29 С 47/92, 27.05.99., Бюл. N 15].

Недостатками известного способа является невозможность поддержания требуемого давления в предматричной зоне экструдера. Отсутствие линии вакуумирования не позволяет регулировать величину давления на выходе экструдата, стабилизировать перепад давления, обеспечить низкотемпературную обработку исходного продукта, рационально использовать вторичные энергоресурсы и, как следствие, улучшить качество экструдата и снизить удельные энергозатраты.

Технической задачей изобретения является повышение качества готовых продуктов (экструдатов), получаемых из термолабильного исходного сырья за счет стабилизации температурного режима на минимально допустимом уровне в предматричной зоне экструдера.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе автоматического управления экструдером, предусматривающем измерение температуры и давления материала в предматричной зоне, расхода и влажности исходного сырья, расхода охлаждающего агента, мощности регулируемого привода экструдера с воздействием на частоту вращения шнека экструдера и на расходы охлаждающего агента и исходного сырья, новым является то, что экструдат после матрицы подают в вакуум-камеру, расход и влажность экструдата измеряют на выходе из вакуум-камеры, устанавливают требуемое значение температуры в предматричной зоне экструдера путем изменения мощности привода насоса, подающего охлаждающую воду на корпус экструдера, дополнительно измеряют давление среды в вакуум-камере и устанавливают требуемое соотношение давлений в предматричной зоне экструдера и вакуум-камере путем изменения мощности привода вакуум-насоса, а также измеряют температуру и расход испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры на конденсацию в двухсекционный испаритель холодильной машины, секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации, а также температуру осушенного воздуха, выходящего из испарителя, температуру охлаждающей воды, направляемой из секции регенерации испарителя холодильной машины на охлаждение корпуса экструдера, причем охлаждающая вода циркулирует по замкнутому циклу "корпус экструдера - секция регенерации испарителя холодильной машины - корпус экструдера", а также температуру хладагента на входе в испаритель и расход хладагента, выходящего из секции испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, а также мощность привода вакуум-насоса, мощность привода насоса охлаждающей воды и мощность привода компрессора, по измеренным значениям расхода и влажности исходного сырья и экструдата вычисляют количество испарившейся влаги в вакуум-камере и конденсирующейся в секции испарителя, в соответствии с которым устанавливают расход хладагента секционного испарителя, воздействуя на мощность привода компрессора холодильной машины, по текущим значениям количества испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры, и ее температуры до и после секционного конденсатора и температуры хладагента на входе в секцию испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от испарившейся влаги к хладагенту и при достижении предельно минимального значения коэффициента теплопередачи производят переключение секции испарителя, работающей в режиме конденсации, на регенерацию с одновременным включением на режим конденсации секции, работавшей в режиме регенерации.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа.

Схема содержит экструдер 1 с формующей головкой 2 и рубашкой 3, регулируемый привод экструдера 4, вакуум-камеру 5 с шлюзовым затвором 6 и двухсекционным испарителем холодильной машины 7, вакуум-насос 8, компрессор холодильной машины 9, насос охлаждающей воды 10, линии: 0.2.1 подвода исходного сырья, 0.2.2 отвода экструдата, 2.2 отвода паров из вакуум-камеры, 4.6 подвода хладагента в секционный испаритель, 4.7 отвода отработанного хладагента; контур 1.2 циркуляции охлаждающей воды, датчики 11, 12 расхода исходного сырья и экструдата соответственно, датчики 13, 14 влажности исходного сырья и экструдата соответственно, датчик 15 давления материала в предматричной зоне экструдера, датчик 16 температуры материала в предматричной зоне экструдера, датчик 17 давления паров в вакуум-камере, датчик 18 температуры отводимых паров из вакуум-камеры и датчик 19 температуры осушенного воздуха после испарителя, датчик 20 расхода отводимых паров из вакуум- камеры, датчик 21 температуры охлаждающей воды, датчик 22 расхода охлаждающей воды, датчик 23 расхода хладагента, датчик 24 температуры хладагента, датчик 25 потребляемой мощности регулируемого привода экструдера, датчик 26 потребляемой мощности компрессора холодильной машины, датчик 27 потребляемой мощности вакуум-насоса, датчик 28 потребляемой мощности насоса охлаждающей воды, блок переключения 29, микропроцессор 30, исполнительные механизмы 31- 41, дозатор исходного сырья 42, двухпозиционные переключатели 43-48 (а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р, с, т- входные каналы управления, у, ф, х, ц, ч, ш - выходные каналы управления).

Способ осуществляется следующим образом.

По измеренным текущим значениям расхода датчиком 11 и влажности исходного сырья датчиком 13, установленных в линии 0.2.1, микропроцессор 30 вычисляет фактический поток влаги, подаваемый с исходным сырьем на экструзию, и с помощью исполнительного механизма 32 устанавливает заданную мощность регулируемого привода 4 экструдера 1. При этом определяют (устанавливают и постоянно поддерживают заданный) тепловой режим в предматричном пространстве при помощи датчика 16 и исполнительного механизма 33. Установленная температура экструдируемого продукта является ограничением на развиваемое давление продукта в предматричной зоне экструдера. По текущим значениям давления в предматричной зоне, измеренного датчиком 15, и давления в вакуум-камере, измеренного датчиком 17, микропроцессор вычисляет требуемое соотношение давления, и с помощью исполнительного механизма 40 устанавливают мощность привода вакуум-насоса для поддержания соответствующего давления в вакуум-камере. По текущим значениям расхода и влажности исходного сырья и экструдата, измеряемым датчиками 11, 13, 12, 14 соответственно, микропроцессор 30 вычисляет количество влаги, испарившейся в вакуум-камере из экструдата в результате его структурообразования, и в соответствии с ним устанавливают расход хладагента с помощью исполнительного механизма 41, воздействуя на привод компрессора холодильной машины. Испарившаяся влага в вакуум-камере конденсируется в двухсекционном испарителе 7 холодильной машины, причем секции испарителя попеременно работают в режимах конденсации и регенерации.

Процесс конденсации влаги, содержащейся в выходящих из продукта парах, сопровождается образованием "снеговой шубы" на охлаждающем элементе испарителя, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи от хладагента к парам через стенку охлаждающего элемента при нарастающей по ходу процесса экструзии толщины "снеговой шубы", и, как следствие, снижает интенсивность осушения водяных паров, отводимых из вакуум-камеры. По информации датчиков 18, 19, 20, 24 микропроцессор непрерывно вычисляет текущее значение коэффициента теплопередачи по формуле где Q = Vc_саρ_са(t₁-t₂) - количество тепла, подаваемое парами в испаритель-конденсатор холодильной машины, кДж/ч; V - объемный расход паров, м³/ч; c_са,ρ_са, - средние значения теплоемкости, кДж/кг•К, плотности, кг/м³ паров; F - площадь поверхности охлаждающего элемента секции испарителя- конденсатора, м²; - среднелогарифмический температурный напор, ^oC; t₁, t₂ - температура соответственно на входе и выходе из испарителя, ^oC; t₃ - температура хладагента на входе в испаритель, ^oC, и вырабатывает сигнал отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного интервала значений, по которому корректирует расход хладагента воздействием на мощность привода компрессора 9 с помощью исполнительного механизма 41. Если увеличение расхода хладагента не позволяет вывести текущее значение коэффициента теплопередачи на заданный интервал значений, то микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя-конденсатора на регенерацию и подключает в работу секцию, работавшую в режиме регенерации.

Отработанная охлаждающая вода отводится от корпуса экструдера и направляется на регенерацию секции испарителя-конденсатора, где в процессе оттаивания снеговой шубы вода охлаждается до требуемой температуры и вновь подается на охлаждение корпуса экструдера. Таким образом осуществляется циркуляция охлаждающей воды по замкнутому циклу "корпус экструдера - секция регенерации испарителя холодильной машины". В момент начала эксплуатации экструдера вода может иметь повышенную температуру для его разогрева и выхода на рабочий режим.

Рассмотрим способ автоматического управления процессом экструзии на примере экструдера марки КМЗ-2У, оборудованного регулируемым приводом, установленного на Грязинском пищевом комбинате, используемого для производства сладких кукурузных палочек с различными ценными пищевыми добавками. Процесс осуществляется со следующими техническими характеристиками: Производительность по экструдату, кг/ч - 270...450 Влажность исходного сырья, % - 15...17 Частота вращения шнека, об/мин - 340...380 Режим работы экструдера - Автогенный
Остаточное давление в вакуум-камере, Па - 10...25
Температура охлаждающей воды на входе в охлаждающую рубашку экструдера, ^oC - 8...15
Расход охлаждающей воды, м³/ч - 4...14
Площадь поверхности секции испарителя-конденсатора холодильной машины, м² - 8
Хладагент (фреон 22) - R22
Расход хладагента, кг/с - 0,35...0,58
После выхода экструдера на рабочий режим значение расхода исходного сырья составляет 300.8 кг/ч, а влажность 16%. По этим значениям устанавливают частоту вращения шнека 360 об/мин. Конечная влажность экструдата составляет 5. . . 6%. Также устанавливают расход охлаждающей воды в контуре циркуляции 1.2, например 5 м³/ч, для поддержания температуры в предматричной зоне экструдера не более температуры инактивации термолабильных питательных веществ, содержащихся в пищевых добавках, например 100^oC.

В вакуум-камере устанавливают остаточное давление 15 Па. В случае изменения состава исходного сырья, а также возможных случайных возмущениях изменится количество испарившихся паров в вакуум-камере, в соответствии с чем корректируют работу вакуум-насоса.

Устанавливают расход хладагента 0,45 кг/с и корректируют его в зависимости от количества испарившейся влаги в вакуум-камере в заданных пределах. Для получения осушенного воздуха с заданным влагосодержанием, например 0,003...0,005 кг/кг, микропроцессор непрерывно вычисляет коэффициент теплопередачи от хладагента к парам, отводимым из вакуум-камеры через стенку охлаждающего элемента испарителя, и слой "снеговой шубы", образовавшейся в результате выпадения влаги из воздуха, и сравнивает его с заданным интервалом значений, например 5,8...8,0 Вт/(м²К).

Если текущее значение коэффициента теплопередачи соответствует заданному интервалу значений, то микропроцессор 30 не воздействует на мощность регулируемого привода компрессора 9. Если же текущее значение коэффициента теплопередачи меньше заданного интервала значений, то микропроцессор корректирует задание исполнительному механизму 41 на увеличение расхода хладагента в линии 4.6 путем увеличения хладопроизводительности холодильной машины. Если увеличение хладопроизводительности не позволяет вывести текущее значение коэффициента теплопередачи на интервал заданных значений, то микропроцессор 30 с помощью блока переключения 29 переключает рабочую секцию испарителя на регенерацию и подключает резервную.

Таким образом, использование данного способа позволит стабилизировать температурный режим на минимально допустимом уровне в предматричной зоне экструдера, а также рационально использовать вторичные энергоресурсы и, как следствие, улучшить качество экструдата, получаемого с добавками термолабильных питательных веществ, и снизить удельные энергозатраты.

Формула изобретения

Способ автоматического управления экструдером, предусматривающий изменение температуры и давления материала в предматричной зоне, расхода и влажности исходного сырья, расхода охлаждающего агента, мощности регулируемого привода экструдера с воздействием на частоту вращения шнека экструдера и на расходы охлаждающего агента и исходного сырья, отличающийся тем, что экструдат после матрицы подают в вакуум-камеру, расход и влажность экструдата измеряют на выходе из вакуум-камеры, устанавливают требуемое значение температуры в предматричной зоне экструдера путем изменения мощности привода насоса, подающего охлаждающую воду на корпус экструдера, дополнительно измеряют давление среды в вакуум-камере и устанавливают требуемое соотношение давлений в предматричной зоне экструдера и вакуум-камере путем изменения мощности привода вакуум-насоса, а также измеряют температуру и расход испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры на конденсацию в двухсекционный испаритель холодильной машины, секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации, а также температуру осушенного воздуха, выходящего из испарителя, температуру охлаждающей воды, направляемой из секции регенерации испарителя холодильной машины на охлаждение корпуса экструдера, причем охлаждающая вода циркулирует по замкнутому циклу "корпус экструдера - секция регенерации испарителя холодильной машины - корпус экструдера", а также температуру хладагента на входе в испаритель и расход хладагента, выходящего из секции испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, а также мощность привода вакуум-насоса, мощность привода насоса охлаждающей воды и мощность привода компрессора, по измеренным значениям расхода и влажности исходного сырья и экструдата вычисляют количество испарившейся влаги м вакуум-камере и конденсирующейся в секции испарителя, в соответствии с которым устанавливают расход хладагента секционного испарителя, воздействуя на мощность привода компрессора холодильной машины, по текущим значениям количества испарившейся влаги, отводимой из вакуум-камеры, и ее температуры до и после секционного конденсатора и температуры хладагента на входе в секцию испарителя холодильной машины, работающей в режиме конденсации, определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от испарившейся влаги к хладагенту и при достижении предельно минимального значения коэффициента теплопередачи производят переключение секции испарителя, работающей в режиме конденсации, на регенерацию с одновременным включением на режим конденсации секции, работавшей в режиме регенерации.

РИСУНКИ

Рисунок 1