Автоматизация процесса замораживания продукта

• Название: Автоматизация процесса замораживания продукта
• Дата: 22.05.2019
• Размер: 288.89 Kb.
• Имя файла: kursovaya_avtomatika.docx
• Тип: Реферат; #78312
• страница: 1 из 3

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И

ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ


КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА

Курсовая работа по дисциплине «Электротехника, автоматика и технические средства автоматизации»:
Автоматизация процесса замораживания продукта

Выполнила: Научный руководитель:

студентка 4 группы 3 курса ИТФ ассистент

Бурак Диана Сергеевна Журко В.С.

Допущено к защите «__»_______2018г.
______________________


Итоговая оценка___________________ Члены комиссии:
«__»___________2018г. Журко В.С.

Богданович П.Ф.


Гродно 2018

Реферат

Тема: Автоматизация процесса замораживания продукта

АВТОМАТИЗАЦИЯ, АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, ДАТЧИК, ДИАПАЗОН ДАТЧИКА, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, ЗАМОРАЖИВАНИЕ МЯСА, ХОЛОДИЛЬНИК, КРИТЕРИЙ ГУРВИЦА, КРИТЕРИЙ НАЙКВИСТА, БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНИДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
Цель: ознакомиться с методикой выбора, расчета и анализа простых технических средств автоматизации технологического процесса замораживания мяса и мясной продукции.

Основные задачи выполнения курсовой работы:

1. 
   Описание технологического процесса замораживания;
   
2. 
   Обзор и анализ оборудования, применяемого при замораживании;
   
3. 
   Описание схем и технических средств, применяемых при автоматизации ТП;
   
4. 
   Описание структурной схемы автоматизации ТП и ее элементов;
   
5. 
   Выбор датчика и других элементов схемы;
   
6. 
   Проведение анализа заданной схемы;
   
7. 
   Изучение вопросов охраны труда и охраны окружающей среды заданного процесса.
   

В первом разделе произведен анализ технологического процесса, выполнен обзор технологического оборудования, а также был выбран аппарат для автоматизации.

Во втором разделе осуществлен выбор и обоснование датчика.

В третьем разделе описана структурная схема автоматизации охлаждения мясной продукции и проводится её преобразование, для упрощения дальнейшего её анализа.

В четвертом разделе произведен анализ САР для определения устойчивости системы.

В пятом разделе описана безопасность жизнедеятельности, которая должна соблюдаться на предприятиях по изготовлению продуктов пищевой промышленности

Содержание

Введение 9

Однофазная заморозка 24

Двухфазная заморозка 25

4 Анализ САР 91

4.2 Анализ устойчивости системы 104

Заключение 160

Список использованной литературы 165

Введение

Замораживание обеспечивает предотвращение развития микробиологических процессов и резкое уменьшение скорости ферментативных и физико-химических реакций, поэтому его используют преимущественно в случае необходимости длительного хранения мяса. Замораживание осуществляют при температуре воздуха в камере от -23 до -35 °С в течение 18-36 ч до достижения в самой толстой части туш температуры. В процессе длительного хранения замороженного мяса теряются витамины, масса (усыхание), развиваются гидролитические процессы и процессы окисления, меняется цвет мышечной ткани, на поверхности туш могут появиться бесцветные или светлые участки холодного ожога.

В продажу поступает охлажденное, подмороженное и замороженное мясо. Парное сохраняет свои свойства (температуру в пределах +35...38°С, аромат, упругость) только в течение 1,5 часов после убоя скота, потому в холодильную камеру не помещается. 

Самые высокие требования предъявляются к холодильному оборудованию, поскольку от соблюдения технологии охлаждения, заморозки и хранения мясной и молочной продукции зависит товарный вид, качество, величина потерь в процессе переработки.

Заморозка мяса в промышленных условиях производится в морозильных камерах, оснащенных мощными низкотемпературными агрегатами. Существует два способа заморозки мяса – одно- и двухфазный. В первом случае туши после первичной обработки сразу помещают в низкотемпературный морозильник. Во втором мясо предварительно охлаждают до +4°С, а затем замораживают.

Холодильники - это сооружения, предназначенные для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящихся продуктов. В помещениях (камерах) холодильника поддерживаются постоянные довольно низкие температуры (+12-40° С) при большой относительной влажности (85-95%). К помещениям холодильника предъявляются повышенные санитарные требования.

Главным условием сохранения пищевых продуктов высокого качества является создание непрерывной холодильной цепи, которая обеспечивает воздействие на пищевые продукты низких температур на протяжении всего времени с момента производства или заготовки продукта до момента его потребления.

 Цель курсовой работы: ознакомление с методикой выбора датчика, расчет и анализ простых технических средств автоматизации ТП замораживания продукции.

1 Описание и анализ технологического процесса

Сущность замораживания мяса состоит в том, что под действием минусовой температуры вода, находящаяся в клетках тканей, превращается в кристаллы льда. Коллоиды цитоплазмы клеток также уплотняются, и создаются такие физиологические условия, при которых ферменты становятся недеятельными, микроорганизмы теряют свои свойства к размножению. Вымерзание воды по мере снижения температуры замораживания продолжается до тех пор, пока вся жидкость не вымерзнет полностью. Температура, при которой это происходит, называется криогидратной.Для мяса она находится в пределах минус 59-64⁰С.

Замораживание мяса начинается с поверхностных слоев, где начинается процесс кристаллообразования.

Скорость замораживания – это скорость, с которой перемещается пограничная поверхность в замораживаемом продукте.

Продолжительность процесса замораживания определяется временем, в течение которого мясо промораживается целиком по всей своей толще.

Различают два метода замораживания:

- двухфазный

- однофазный.

Замораживать мясо можно в тушах (полутушах, четвертинах) и в блоках.

Замораживание мяса в тушах

Размещают туши (четвертины) на подвесных рельсовых путях морозилок. Более упитанные туши следует размещать ближе к охлаждающим приборам. На 1 погонный метр подвесных путей размещают 225-250 кг мяса.

Мясо замораживают при температуре минус 12⁰С – минус 35⁰С. Оптимальная рабочая температура минус 23 - минус 26⁰С. Относительная влажность поддерживается на уровне 90-92%. Скорость циркуляции воздуха 0,1-0,3 м/с, а при ускоренном замораживании 2,5 м/с. Продолжительность замораживания может колебаться от 72 часов (при –12⁰С) до 20-24 часа (при –35⁰С). Замораживание считается законченным, когда температура в толще мышц бедра достигает минус 8^оС.

Нормы усушки при однофазном замораживании составляют от 1,5% до 2,2%, а при двухфазном – от 0,6% до 0,9% в зависимости от категории упитанности мяса и температуры замораживания.

Однофазная заморозка

Замораживают парное мясо без предварительного его охлаждения и после его размораживания процесс созревания мяса во многом аналогичен созреванию не мороженого мяса, что положительно сказывается на вкусовых качествах мяса – оно нежное, ароматное, вкусное. Потери массы составляют 1,6 – 2,1%.

Двухфазная заморозка

Замораживают уже остывшее, прошедшее посмертное окоченение, либо предварительно охлажденное мясо. После размораживания такое мясо теряет много мясного сока, что не всегда приводит к достаточной нежности мяса. Потери массы 2-2,6%.

Замораживание мяса производят в подвешенном состоянии в морозильных камерах (по циклическому графику) или туннелях (непрерывно). Продолжительность процесса заморозки зависит от размеров мяса и вида заморозки. Разделяют:

• 
  Быстрое замораживание – 18 часов при температуре -30 … -35°С, скорость движения воздуха 0,1-0,2 м/с;
  
• 
  Интенсивное замораживание - 28 часов при температуре -23 … -30°С, скорость движения воздуха 0,5-0,8 м/с;
  
• 
  Медленное замораживание – 35-40 часов при температуре -18 … -23°С, скорость движения воздуха 1-4 м/с.
  

Относительная влажность воздуха для всех процессов заморозки одинакова – 90-95%.

При быстром замораживании лёд образуется не только в межклеточном пространстве, но и в самих клетках в виде мелких, равномерно распределенных кристаллов и таким образом распределение воды (в замороженном виде) мало отличается от ее изначального (в не замороженном виде) распределения, что практически не вызывает изменений в тканях. Такое мясо имеет розовый оттенок, а после оттаивания теряет мало мясного сока и похоже на охлажденное по вкусу и свойствам. Но минимальное повреждение клеток при очень быстром замораживании имеет и побочный эффект – около 10% клеток остаются живыми, что подвергает мясо риску порчи из-за оставшихся активными микроорганизмов и ферментов.

При медленном замораживании клетки оказываются обезвоженными, а лёд образуется в виде крупных кристаллов в межклеточном пространстве, что не только изменяет первоначальное распределение влаги в тканях, но и подвергает мышечные волокна риску разрыва крупными кристаллами льда. Но как раз при медленном замораживании мяса до температуры -6 …-12°С происходит максимальное повреждение микробных клеток.

Срок хранения замороженного мяса зависит не только от вида мяса и способа его заморозки, но и от температуры воздуха в камере хранения – чем ниже температура воздуха в камере хранения, тем он больше. Туши-полутуши свиньи и бараньи при температуре -25°С могут храниться до года, а говяжьи - до полутора лет.

Перспективным направлением развития технологии заморозки мяса считается отказ от замораживания в тушах-полутушах на воздухе. Мясные туши разрубаются на отрубы, для замораживания которых используются скоромозильные контактные аппараты. Непосредственное взаимодействие мяса с низкотемпературной поверхностью обеспечивает сокращение процесса замораживания по сравнению с процессом в воздухе в 1,5-2 раза.

Оборудование для охлаждения (замораживания) продукта

Для замораживания пищевых продуктов применяют следующие виды морозильных аппаратов[5]:

1) Аппараты с принудительной циркуляцией воздуха: туннельные и специальные аппараты;

2) Контактные морозильные аппараты, в которых продукт замораживается между полыми металлическими плитами, охлаждаемыми кипящим в них холодильным агентом или циркулирующим холодным рассолом;

3) Флюидизационные и флюидизационно-ленточные морозильные аппараты, в которых продукт замораживается в охлаждающей жидкости;

4) Иммерсионные холодильные аппараты, в которых продукт, предварительно упакованный в полимерную пленку, замораживается в псевдоожиженном слое, создаваемом потоком охлаждающей жидкости;

5) морозильные аппараты для замораживания полужидких продуктов; морозильные аппараты для замораживания в жидком азоте или фреоне.

В последние годы за рубежом для замораживания пищевых продуктов, в том числе рыбы и морепродуктов, широко используются криогенные жидкости, в частности жидкий азот, имеющий температуру испарения -195,8°С.

Применение жидкого азота для обработки рыбы позволяет сократить продолжительность замораживания до нескольких минут, тогда как при традиционных способах замораживания она составляет несколько часов.

Высокая скорость замораживания в азоте позволяет получать замороженные продукты более высокого качества и повышенной стойкости при хранении по сравнению с замороженными обычными способами. При этом улучшение качества продукта, заключающееся в сохранении вкуса, цвета, витаминного состава, объясняется уменьшением потерь клеточных соков при размораживании.

При замораживании в жидком азоте аэробная микрофлора, находящаяся на поверхности продукта благодаря повышенному содержанию азота в окружающей среде, подавляется, что также способствует получению продукта высокого качества. Из-за сокращения продолжительности замораживания усушка значительно уменьшается или вообще отсутствует. Так, потери массы при замораживании креветок в жидком азоте составляет 0,5% по сравнению с 1% при воздушном замораживании.

При использовании жидкого азота замораживание сырья может быть обеспечено несколькими способами: непосредственным погружением продукта в жидкий азот (иммерсионный способ); орошением продукта жидким азотом; в холодных парах испаряющегося азота, а также различными комбинациями этих способов.

При погружном способе замораживания в результате значительного перепада температуры на поверхности продукта и в его толще образуются макро- и микротрещины, что снижает качество замороженного продукта. При оросительном способе замораживания таких отрицательных явлений не наблюдается.

Аппараты для замораживания в жидком азоте просты по конструкции, удобны в эксплуатации. В отличие от воздушных скороморозильных аппаратов они обладают высокой производительностью при меньших габаритах и капитальных затратах, так как не имеют вспомогательного оборудования (компрессор, конденсатор, трубопроводы и др.), обычного для воздушных морозильных установок.

Морозильные аппараты, работающие по принципу орошения, как правило, состоят из трех секций.

В первой секции (по длине аппарата) продукт подвергается предварительному охлаждению холодными парами азота; во второй секции происходят орошение продукта жидким азотом и полное его замораживание. При этом разность температур между поверхностью и центром продукта очень значительна; в третьей секции происходит выравнивание температуры по толщине продукта.

Расход жидкого азота на замораживание 1 кг продукта составляет 1,2- 1,5 кг. Потери азота при хранении в рабочих емкостях не превышают 2% в сутки.

В последнее время в некоторых странах (США, ГДР, ФРГ, Англия, Дания и др.) разработаны и внедрены в промышленность различные криогенные скороморозильные аппараты, работающие на жидком азоте. Один из них - аппарат "Ликвифриз" (США) - предназначен для иммерсионного замораживания продуктов в упаковке (рис. 49) и устанавливается непосредственно за упаковочным автоматом, из которого картонные коробки с продуктом поступают на входной конвейер автомата. Затем они подаются в наклонный желоб и под действием собственной силы тяжести опускаются в ванну с жидким азотом. Движение коробок внутри аппарата осуществляется с помощью системы конвейеров. Жидкий азот подается в ванну по трубопроводу из специального танка. Газообразный азот отводится по трубопроводу в камеру упаковочного автомата, где используется для предварительного охлаждения продуктов на конвейерной линии перед упаковочным автоматом.

желоб для подачи продуктов в ванну; 12 - входной конвейер; 13 - продукты в упаковке" align=bottom width=653 height=297 border=0>
Рисунок 2 - Схема морозильного аппарата для иммерсионного замораживания продуктов в упаковке: 1 - камера предварительного охлаждения продуктов в упаковочном автомате; 2 - упаковочный автомат; 3 - трубопровод для отвода газообразного азота; 4 - трубопровод для отвода газообразного азота из скороморозильного аппарата в упаковочный автомат; 5 - бак для жидкого азота; 6 - ванна с жидким азотом; 7, 8 - конвейеры; 9 - выходной конвейер; 10 - разгрузочное окно; 11 - желоб для подачи продуктов в ванну; 12 - входной конвейер; 13 - продукты в упаковке
Иммерсионный способ замораживания - самый быстрый, но связан с повышенным расходом хладагента, а также с трудностями регулирования температуры замораживания продуктов. Более распространены аппараты, работающие на распыленном азоте.


2 Выбор и обоснование датчика

Датчик – это устройство, воспринимающее регистрируемый параметр и преобразующее его в физическую величину, удобную для использования в последующих элементах автоматической системы [2].

В общем виде датчик представляют в виде двух функциональных элементов – чувствительного элемента и преобразующего элемента (Рисунок 2.1).



Рисунок 2 – Функциональная схема датчика:

Д – датчик;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ПЭ – преобразующий элемент;

x(t) – контролируемый параметр;

x₁(t) – выходная величина ЧЭ;

y(t) – выходная физическая величина.

Измерение температуры в устройствах автоматики производят с помощью датчиков, функционирующих на основе зависимости того или иного параметра чувствительного элемента от температуры. Работа их основана на тепловом расширении твердых тел, жидкостей или газов, на изменении сопротивления проводников или полупроводников или изменении термо-ЭДС.
2.1 Обоснование требований к диапазону датчика и точностным характеристикам (допустимой погрешности)

Необходимо стабилизировать температурный режим процесса. Диапазон регулирования -19…-21°С (допустимые отклонения ±1°С). Согласно заданию у₀ = -20°С (середина диапазона). Подбираем датчик с диапазоном -50…+180°С и классом точности 1, включенный по мостовой схеме.

В этом случае от диапазона датчика. Это допустимо.

Погрешность датчика δ_% = 50·1 ⁄ 100 = 0,5°С, то есть меньше допустимого отклонения [1].
2.2 Выбор датчика и его типоразмер

Выбираем датчик температуры Корунд-ТМ-01-3. Производитель - ООО «Стэнли», Россия. Технические характеристики датчика приведены в таблице 2.1 [1].

Таблица 2.1 - Технические характеристики датчика

Характеристика	КОРУНД–ТМ-01-3
Диапазон измеряемых температур, °С	-50…+180
Предел основной погрешности, %	±0,25
Диапазон выходных сигналов, мА	0-5
Сопротивление нагрузки, Ом	0-1000
Напряжение питания, В	12-36

Датчик температуры КОРУНД-Т состоит из термочувствительного элемента (ТЭ), помещенного в корпус термозонда, при необходимости снабженного защитной арматурой, и электронного преобразователя (ЭП), объединенных в единую конструкцию. В качестве термочувствительных элементов используются термопреобразователи сопротивления с номинальными статическими характеристиками (НСХ) по ГОСТ Р 5043 — 50М, 100М (медь), 50П, 100П (платина). Электронный преобразователь трансформирует сигнал, поступающий с выхода термочувствительного элемента, в унифицированный сигнал постоянного тока. Таким образом, возможно использование датчика температуры КОРУНД-Т в автоматических системах управления технологическими процессами без применения дополнительных нормирующих преобразователей [1].


3 Описание структурной схемы автоматизации технологического процесса



Рисунок 3 – Структурная схема САР ТП

где:

у₀ – заданный параметр;

у – регулируемый параметр;

f – возмущающее воздействие;

К_У – коэффициент передачи (КП) усилительного звена;

К_КЭ – КП корректирующего звена;

К_ИМ – КП исполнительного механизма;

К_ОР – КП объекта регулирования;

К_ОС – КП обратной связи;

ε – рассогласование между у₀ и у₁;

z₁,z₂ – промежуточные значения сигналов;

τ₁, τ₂, τ₃ – постоянные времени.

Параметры звеньев САР: K_y=170, K_им=3,0, К_ор=1,15, τ₂=15,0 с, К_ос=0,20, τ₃= 19,0 с, у₀= - 20 1 ⁰С , τ₁=0.

Описание элементов САР:

– сравнивающее устройство, вырабатывающее сигнал ошибки (рассогласования) на основании результата сравнения действительного значения регулируемой величины с её заданным значением. Заданный параметр у₀= -20 1 ⁰С;

–усилительное устройство, усиливает мощность сигнала;

– корректирующее устройство в системе автоматического управления (САУ), которое обеспечивает заданные показатели качества работы этой системы;

– передача усилительного звена, K_y=170.

– исполнительное устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Состоит из двух функциональных блоков: исполнительного устройства (если исполнительное устройство механическое, то его часто называют исполнительный механизм) и регулирующего органа. Элементами электрических исполнительных механизмов, как следует из блок-схемы, являются электродвигатели, редукторы, тормозные устройства, преобразователи положения, указатели положения и микропереключатели; эти элементы смонтированы, как правило, в едином корпусе. Коэффициент передачи ИМ K_им=3,0, постоянная времениτ₁=0;

– объект регулирования. В данной курсовой работе в качестве ОР выступает холодильная камера. ОР обеспечивает пропорциональное значение управляемой величины объекта управления задающей величины, подаваемой на САР. Коэффициент передачи ОР К_ор=1,15, постоянная времени τ₂=15,0 с;

– элемент обратной связи, преобразующий управляемую величину у в вид, удобный для сравнения с задающим сигналом. Коэффициент передачи ОС К_ос=0,20, постоянная времени τ₃= 19 с.

К датчикам температуры молока и других пищевых продуктов в процессе пастеризации предъявляется ряд специфических требований:

Во-первых, в связи с применением на пищевом производстве, конструкция датчика должна удовлетворять требованиям гигиенического исполнения.

Во-вторых, датчик должен обеспечивать контроль температуры не только замораживания, но и SIP-процесса.

В-третьих, датчик температуры замораживания обязан иметь высокую степень защиты IP69K.

В-четвертых, должен иметь компактную конструкцию, так как в зависимости от применяемого оборудования замораживания место для установки датчика может быть ограничено.

В-пятых, результаты измерения не должны зависеть от температуры окружающей среды и обладать большой скоростью реакции на изменение температуры.