Монография рекомендовано к изданию Ученым советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет
 Скачать 7.64 Mb.
|
|
1.3 Анализ методов оптимизации технологических процессов Конечной целью моделирования технологического процесса является достижение оптимального режима его функционирования, поддержка динамического равновесия с внешней средой. Основываясь на общности решения этих задач можно сказать, что основной проблемой является проблема построения наиболее эффективных оптимальных систем. Теория оптимального адаптивного управления изложена М. Атансом, П. Фалбом, А.Г. Александровым, П.В. Куропаткиным, Р. Беллманом и другими авторами. Применительно к тепловым процессам оптимальное управление рассмотрено А.И. Егоровым, В.Е. Куцаковой, А.Н. Богатыревым, С.Г. Герасимовым. Главной задачей оптимального управления является нахождение такого закона, при котором система при заданных ограничениях перейдет из одного заданного состояния в другое оптимальным образом, причем функционал J(x,u), выражающий качество процесса получит наименьшее или наибольшее значение. На этом законе основаны методы вариационного исчисления, методы динамического программирования. Но все эти методы оптимизируют процесс в динамике, а для проектирования технологических процессов больше подходят методы многокритериальной оптимизации, к которым приходят в случае отсутствия полных точных сведений о решаемой задаче или тогда, когда оптимальное решение следует оценивать сразу с нескольких точек зрения. технологических исследованиях зачастую результат процесса невозможно представить каким-либо одним параметром оптимальности. В практике многокритериальной оптимизации используется ряд методов. Один из них заключается в том, что из всех рассмотренных критериев выделяют важнейший, по которому и решается задача оптимизации, по всем другим показателям задаются пороговые значения y2,y3,……yn, т.е. значения достаточно оптимального уровня. Если ограничения могут быть сформулированы виде равенств, для оптимизации процесса по главному критерию может быть принят метод неопределенных множителей Лангранжа. Метод применим не во всех 18 случаях, так как из всех критериев оптимальности приходится выбирать один, главный, что не всегда возможно, а остальным критериям задавать конкретные численные значения. Иными словами, метод работает, если требуется найти экстремум функции
Алгоритм применения этого метода сводится к следующим операциям: формируется вспомогательная функция ( xi , λi ) = f1 ( xi ) + ∑m λk ⋅ψ k ( xi ), k =1 где λK - неопределенное множество Лангранжа; берутся частные производные функции ϕ(xi , λi ) по всем независимым переменным ( xi ) и по всем множителям Лангранжа λK ; используя некоторые уравнения, выражают λK через переменные х; подставляя полученные выражения в соответствующие уравнения, исключаются неопределенные множители из системы уравнений; решая систему, в которой неопределенные множители исключены находят координаты экстремальных точек, которых в общем случае может быть несколько. Но зачастую создается конфликтная ситуация: удовлетворение одного критерия оптимальности вызывает ухудшение процесса по другому критерию. Если возможно этим критериям придать тот или иной «вес», то задача решается простым построением обобщенного критерия
j =1 где yiU-значениеj -го критерия оптимальности вU-ом опыте;g j- «вес» j -го критерия оптимальности. По данным yiU получают уравнение, на основе которого строится процесс оптимизации. Другой метод заключается в формировании некоторого обобщенного критерия y, представляющего собой функцию частных критериев y1,y2,y3,……ym. Тогда обобщенный критерий можно представить в виде дроби, числитель 19 которой представляет произведение всех частных критериев, которые надо обратить в минимум, а знаменатель – произведение максимальных критериев
Кроме скалярных существуют также векторные решения задач оптимизации при максимизации одного показателя. Одним из таких методов является весовой – поиск максимально взвешенной суммы для различных значений положительных весовых коэффициентов. Параметрическую запись взвешенной суммы называют весовой поверхностью, поверхность содержит только эффективные точки. Но не все возможные эффективные точки в общем случае принадлежат весовой поверхности. Если весовая поверхность оказывается определенной во всей области интересующих нас значений, то только в этой области она совпадает с искомой областью компромиссов. Другой метод векторной оптимизации на дискретном множестве заключается в том, что выбираются крайние точки, такие, в которых достигается максимум по какому-либо параметру эффективности. Из оставшихся выделяют крайние лучшие точки, сравнивают с другими, и выявляют неэффективные до тех пор, пока не будут пройдены все точки. Задача векторной оптимизации, когда параметры эффективности являются линейными функциями на множестве (множество представляет из себя выпуклый многогранник) состоит в нахождении эффективных точек на границе этого многогранника. Выпуклый многогранник ограничений в пространстве параметров эффекта при линейном отображении является также выпуклым многогранником. Оптимальная поверхность в этом случае представляет собой ту часть границы этого многогранника, которая содержит эффективные опорные точки. Опорная точка будет эффективной, если, во-первых, среди всех остальных опорных точек нет точки, у которой все показатели эффективности не хуже и хотя бы один лучше, и во-вторых, эффективная точка в пространстве должна лежать на границе выпуклого многогранника, то есть не должна быть внутренней точкой многогранника. Метод векторной оптимизации при гладких целевых функциях и отсутствии ограничений позволяет узнать, есть ли эффективные точки вне области или все возможные точки лежат внутри данной области. В последнем случае объект можно улучшить, только лишь изменив функции, т.е. структуру объекта. Однако назначить «вес» тому или иному критерию – задача трудная. Специалисту легче сказать, при каком значении данного критерия можно дать процессу положительную или отрицательную оценку. Разнообразие выбора целевых функций позволяет определить оптимальное конструктивное решение, но не дает решить задачу оптимизации по существу. 20 Если отсутствует целевая функция и для разработчика ценны все выходные показатели процесса, то одним из приемов, позволяющих выделить область лучших решений, является метод Парето. Сначала находится область оптимальных по Парето решений, затем в этой области отыскиваются единственные лучшие решения. Область Парето называют также оптимальной поверхностью или областью компромиссов, поскольку она сочетает наилучшие сочетания параметров эффекта. Для лица, принимающего решения, желательно по каждому из критериев f1 , f2 ,..... fn получить по возможности большее (меньшее) значение, т.е. максимизировать (минимизировать) каждый из критериев. Точка максимума (минимума) на множестве Х, является решением одновременно для всех функций f1 , f 2 ,..... f n . Однако на практике этот случай имеет место крайне редко, т.к. такой точки максимума (минимума) как правило, не существует. Следует отметить, что реализация данного метода связана с большим объемом вычислительных операций и значительными трудностями отыскания области компромиссов. Приступая к анализу технологического процесса, как объекта исследования, мы должны выделить из всей совокупности свойств объекта наиболее важные для проведения дальнейшей оптимизации. Проблема эта не так проста, как кажется на первый взгляд, потому что не ясно, как выделить то свойство, оказывающее на другие определяющее воздействие. Выполнение этого условия и приводит к тому, что мы создаем модель процесса, которую затем и рассматриваем. Построение целевой функции как инструмента получения параметров эффекта и их оптимизации перспективно при использовании статических моделей, построенных по результатам экспериментального исследования технологического процесса в виде функции отклика. Однако в этом случае необходимым условием является возможность экспериментального определения выбранных параметров эффекта. Обычно при этом используется планирование эксперимента, то есть процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для получения функции отклика с требуемой точностью. При планировании эксперимента учитываются: стремление к минимизации общего числа опытов; одновременное варьирование всеми факторами; использование формального алгоритма при проведении планирования. Алгоритмы планирования эксперимента могут быть применены при любых вычислительных экспериментах для отыскания оптимальных решений. 21 2 Анализ существующих технологий и оборудования для сушки макаронных изделий 2.1 Обзор технологий и применяемого оборудования настоящее время в зависимости от температуры воздуха используют 3 основных режима конвективной сушки макаронных изделий: - традиционные низкотемпературные (НТ) режимы, когда температура сушильного воздуха не превышает 60 0С; - высокотемпературные (ВТ) режимы, когда температура сушильного воздуха на определенном этапе сушки достигает 70-900С; - сверхвысокотемпературные (СВТ) режимы, когда температура воздуха превышает 90 0С. Самым старым способом, который положил начало использованию низкотемпературных режимов, является сушка макаронных изделий на открытом воздухе, которая длилась 3-5 суток. При низкотемпературных режимах высушивание производят в шкафных безкалориферных сушилках типа ВВП, 2-ЦАГИ-700, «Диффузор». Сушилка марки ВВП представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Сушилка марки ВВП 22 таких сушилках макаронные изделия сушат при температуре от 30 до 50 0С и в зависимости от ассортимента 5-8 часов для коротких, 16-24 часа для длинных макарон, при влажности сушильного воздуха от 70 до75 %. Если сушилка заключена в кожух или шкаф закрывается дверцами, то процесс сушки интенсифицируется путем увеличения температуры до 60-65 0С с одновременным увеличением влажности воздуха до 75-80 %. Е.С. Поляков предложил конструкцию шкафной сушилки закрытого типа специально для сушки длинных макаронных изделий. Сушилка оборудована двумя отсеками закрытого типа, куда закатываются бастуны с подвешенными на них изделиями. Конструкция сушилки представлена на рисунке 2.2. 1 – закрытая камера с двумя отсеками; – вентилятор; – кронштейн; – труба для вентилятора; – электродвигатель; – вагонетка. Рисунок 2.2 – Шкафная сушилка для подвесной сушки макарон Недостатками такого способа является длительный процесс сушки и неравномерное удаление влаги с поверхности макаронных изделий, что приводит к сильному искривлению изделий во время сушки. При низкотемпературных режимах макаронные изделия высушиваются также в паровых конвейерных сушилках типов КСК-4Г-45, КСК-4Г-90, в которых применяются более жесткие режимы высушивания, т.к. за короткий срок (30-90 мин) необходимо полностью высушить продукт. В них используют режим с повышающейся сушильной способностью воздуха: свежий воздух подогревается калорифером до температуры 50-60 0С и влажности 15-20 %, а при выходе из сушилки имеет температуру 50-55 0С и влажность 50 %. Сушка в жестких режимах приводит к растрескиванию, т.к. макаронные изделия сохраняют свои пластические свойства примерно до влажности 20 %, а при снижении влажности от 20 до 16 % приобретают характер упруго-твердого тела. Исходя из этого, при современных режимах сушки макарон выявлены две технологические стадии, правильное проведение которых позволяет получать готовые изделия высокого качества. Первой из них является предварительная сушка, которая характеризуется большой интенсивностью и практически постоянной скоростью сушки. Что же касается второго периода – окончательной сушки, то здесь предъявляются особые требования к технологическим параметрам режимов сушки, на выходе процесса должны быть строго обеспечены параметры продукта , предусмотренного нормативными документами, в частности финальная влажность продукта должна находиться в диапазоне 12 - 12,5 %. Однако на первом этапе удаления влаги из изделий степень жесткости режима имеет свои ограничения, поскольку чрезмерно быстрое осушение поверхностного слоя сырых изделий сухим воздухом температурой около 60 0С может привести к его отслаиванию, к образованию чешуйчатой поверхности изделий, вследствие того, что влага не успевает подойти из внутренних слоев плотной структуры тестовых заготовок. Кроме того, при таком режиме сушки резкое превращение влаги изделий в пар может привести к образованию пузырьков в толще ещё пластичных изделий. Поэтому, чем выше температура воздуха в начале сушки, тем выше должна быть его влажность. Так например, Назаровым Н.И. с сотрудниками разработаны режимы с гигротермической обработкой изделий перед сушкой. Сущность их заключается в обработке сырых изделий паровоздушной смесью в течении 2 мин (для макарон) или сухим паром в течении 30 секунд (для короткорезанных изделий). Параметры паровоздушной смеси: температура 95-98 0С, относительная влажность 95 %, температура перегретого пара от 120 до 180 0С: при этом снижается усадка изделий в 1,5-2 раза вследствие ослабления энергии связи влаги с денатурированными белками. Возможно применение более жестких режимов высушивания без опасения появления трещин и паровоздушных пузырьков при использовании гигротермической обработки изделий перед сушкой. Так известен способ сушки макаронных изделий по патенту РФ 2101978, предусматривающий на первом этапе удаления влаги путем принудительной циркуляции подогретого до температуры 65 0С и влажности близкой к насыщению (100 %) сушильного воздуха создается эффект бани в течении 20 мин с момента начала сушки, затем влажность воздуха уменьшают до 80 % и продолжают сушку в этом режиме до приобретения полуфабрикатом влажности 19-20 %. В другом способе по патенту РФ № 2087104 паровую 24 обработку проводят 2 мин при температуре 100-110 0С и относительной влажности 95-98 %. Г.М. Медведев предложил способ производства термообработанных макаронных изделий, при котором они подвергаются воздействию пара, проходя через отверстия матрицы, разогретой до температуры более 80 0С. Пар образуется из внутренней влаги изделий при их разогреве. Недостатками данных способов является то, что при паровой обработке прогреваются только наружные слои изделия, температура внутренних слоев меньше температуры наружных, градиент температуры мешает дальнейшей сушке макаронных изделий. Клейстеризация крахмала в поверхностном слое макаронных изделий делает их липкими, что усложняет дальнейшую сушку. В настоящее время используются различные варианты высокотемпературных режимов сушки. Однако главная предпосылка их разработки заключается в том, что повышение температуры сушки макаронных изделий должно сопровождаться повышением относительной влажности воздуха. Высокотемпературная сушка позволяет снизить расход энергии за счет уменьшения продолжительности процесса и сократить производственные площади на единицу вырабатываемой продукции, значительно улучшить её микробиологическое состояние и при правильно подобранных параметрах сушки улучшить цвет и варочные свойства изделий. Используются различные варианты высокотемпературной сушки, так например: применение ВТ режима на предварительной стадии сушки с постепенным ступенчатым снижением температуры воздуха до 40 - 45 0С и дальнейшей стабилизацией изделий при этой температуре. Режим температурной инверсии предусматривает повышение температуры воздуха до максимальной величины и последующее снижение до 40-45 0С. Высокотемпературные режимы используют на автоматизированных линиях фирмы «Брайбанти» с сушилкой GPL/ITRG, где контроль и регулирование температурно-влажностных условий осуществляется программируемой системой «Ротроник». В сушилке используется режим увеличения температуры на стадии предварительной сушки до максимального значения в пределах 75 - 85 0С, а затем с сушкой и стабилизацией изделий при этой же температуре и влажности 82 %, общей продолжительностью 6 часов. Предварительная и окончательная сушка осуществляется на лентах, установленных одна под другой и движущихся в противоположные стороны (см. рисунок 2.3). Говоря о преимуществах высокотемпературной сушки перед низкотемпературной необходимо иметь ввиду, что чем ниже температура сушки, тем в меньшей степени возникает опасность возникновения в изделиях чрезмерных напряжений сдвига в результате тех или иных нарушений в заданном режиме. Поэтому применение ВТ режимов возможно только на оборудовании, оснащенном автоматизированными системами контроля и регулирования заданного режима. Фирма «Паван-Мапимпьянти СпА» одна из первых использовала сверхвысокотемпературные режимы сушки как длинных, так и коротких макаронных изделий, при этом на предварительной стадии сушки используется 25 кратковременный прогрев изделий, температура сушильного воздуха повышается до 106 0С у длинных, и до 97 0С у коротких изделий, при соответствующей влажности воздуха 93 % и 75 %. Окончательная сушка осуществляется при постепенном незначительном снижении температуры и влажности воздуха. Рисунок 2.3 – Сушилка фирмы «Брайбанти» с нейлоновыми лентами (вид сзади) Фирма «Бюлер» (Швейцария) разработала систему сверхвысокотемпературной сушки макаронных изделий «Турботорматик». Сущность этой системы заключается в поэтапном повышении температуры воздуха на стадии предварительной сушки до 95 0С (за 45 мин в сушилках линий для длинных изделий и за 30 мин для коротких изделий), выдерживании этой температуры в течение 40 мин для длинных изделий и 30 мин для коротких (при относительной влажности воздуха 85 %) и, наконец, в поэтапном снижении температуры сушки до 85 0С на стадии окончательной сушки изделий. Общая продолжительность сушки (без их стабилизации) составляет 4,25 часа для спагетти и 2, 45 часа для короткорезанных макаронных изделий. Одной из последних разработок фирмы «Паван» является сушилка TAS (термо-активная система), в которой изделия сушатся с помощью пульсирующих режимов, когда периоды сушки сочетаются с периодами отволаживания. Общий вид сушилки поточной линии фирмы «Бюлер» представлен на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 – Сушилка фирмы «Бюлер» 26 Схема сушилки для макаронных изделий поточной линии «Бюлер» представлена на рисунке 2.5. 1- начальная и конечная фазы сушки в данной зоне; 2- вентиляционный блок; 3- зона отволаживания; 4- ввод сырых изделий в камеру предварительной сушки; 5- вывод готовой продукции из камеры стабилизации; 6- вентилятор предварительной обдувки; 7- подача свежего воздуха; 8- радиатор; 9- вытяжной вентилятор; 10 - выхлоп влажного воздуха; 11 - вентилятор для рециркуляции воздуха; 12 - конвейер для возврата бастунов; 13 - регулируемые опоры для каркаса сушилки; 14 - конвейр для бастунов. Рисунок 2.5 – Схема сушилки для длинных макаронных изделий поточной линии «Бюлер» Задача СВТ сушки заключается в выборе температуры и влажности воздуха, продолжительности сушки, режима изменения температуры и влажности высушиваемых изделий на уровне, обеспечивающем получение их высокого качества, по всем показателям не уступающего качеству изделий ВТ или НТ сушки или превосходящего его. Но очевидно, что при СВТ сушке общая продолжительность сушки и время окончательной сушки и стабилизации должны быть особенно короткими. И за этот короткий промежуток времени нужно затратить большое количество энергии, чтобы полностью высушить продукт до оптимального качества. С этой точки зрения конвективная сушка является недостаточно интенсивным способом передачи энергии влажному материалу. 27 Поэтому значительно более интенсивным способом по сравнению с конвективным является воздействие на продукт энергетического поля - терморадиационная сушка и сушка в электромагнитном поле высокой и сверхвысокой частоты. Терморадиационная сушка инфракрасными лучами - прогрессивный способ обезвоживания влажных материалов. В качестве генераторов инфракрасного излучения применяют специальные зеркальные лампы (температура нити 220-2500 К), кварцевые трубки (температура нити 2500 К), электронагревательные элементы сопротивления (температура поверхности 873-1173 К) и газовые горелки инфракрасного излучения, в которых происходит беспламенное сжигание газа (температура поверхности 1073 - 1173 К). Инфракрасное облучение выгодно тем, что его энергия мало рассеивается, и коллоидные вещества, в частности макаронное тесто, прогреваются энергией ИК-излучения на глубину до 2 мм. Инфракрасные лучи пробегают путь от генератора излучения до объекта облучения в миллионные доли секунды и, не встречая сопротивления пограничного слоя, что наблюдается при конвективной сушке, обеспечивают эффективное нагревание материала за счет интенсификации движения атомов и молекул в его поверхностных и глубжерасположенных слоях. Лыковым А.В. и Савиной И.М. были разработаны теоретические основы терморадиационной сушки макаронных изделий и рекомендованы пульсирующие режимы сушки короткорезанных изделий с чередованием очень кратковременных 2 - 4 секунды, но интенсивных облучений изделий и более длительного 40 - 80 секунд отволаживания. Нагревание изделий ИК-лучами во много раз интенсивнее, чем при передаче продукту тепла от сушильного воздуха, поэтому при длительном воздействии ИК-лучей влага из изделий удаляется слишком быстро, что может привести к растрескиванию высушенных изделий. Для сушки длинных макаронных изделий инфракрасными лучами используется установка «Rototerm» итальянской фирмы «Паван-Мапимпьянти СпА», а для сушки короткорезанных изделий - отечественная сушилка транспортерного типа УСК МКПА 101.132.001 ПС. Камера «Rototerm» представляет собой батарею инфракрасных излучателей (см. рисунок 2.6). В результате этого происходит поглощение энергии поверхностным слоем, так как пропускание составляет весьма незначительную величину для длин волн больше 3 нм. В камере одновременно происходит прогрев и отволаживание. Принудительная циркуляция воздуха отсутствует. Но данное оборудование обладает большой энергоемкостью, поэтому его применение на всем протяжении сушки экономически невыгодно. отличие от терморадиационной и тем более конвективной сушки особенностью сушки в электромагнитном поле токов ВЧ и СВЧ являются прогрев влажного материала на всю глубину независимо от его толщины, т.к. СВЧ-энергия поступает непосредственно в области с повышенной концентрацией влаги и не тратится на повышение температур других частей обрабатываемого продукта. 28 1 – корпус; 2 – темные инфракрасные излучатели; 3 – конвейер для макарон. Рисунок 2.6 - Схема камеры «Rototerm» Известна установка фирмы «Липтон» (США) для сушки короткорезанных изделий с применением СВЧ-энергии. В ней предусмотрен трехстадийный режим сушки: традиционная конвективная предварительная сушка до влажности изделий 20 % (применяется для снижения затрат энергии, т.к. большая стоимость СВЧ-энергии перекрывает экономию от сокращения длительности сушки макаронных изделий), СВЧ-сушка до влажности изделий 14 % при температуре воздуха 80 0С и относительной влажности 20 % и стабилизация изделий при медленном их остывании и снижении влажности до 12,5 %. При этом общая продолжительность высушивания короткорезанных изделий составляет 40-60 минут, из которых период СВЧ-нагрева (частота МГц) – 10-12 минут. Известен способ по патенту США № 6217918, при котором макаронные изделия подвергаются сверхвысокочастотному воздействию в чашеобразной емкости, что позволяет получить равномерно термоообработанный продукт. Японские ученые предлагают обрабатывать лапшу в микроволновой печи специализированных пакетах с добавлением воды и получать при этом готовые изделия (по патенту Япония № 6180148). Медведевым Г.М. совместно с А.Аль Сайедом разработаны пульсирующие режимы СВЧ-сушки с чередованием периодов микроволнового нагрева и остывания изделий без применения конвективной сушки. Ими рекомендован наиболее оптимальный режим СВЧ-нагрева для сушки 29 вермишели при влажности 30 % и температуре 20 0С с интенсивностью нагрева 2,5 Вт/г и продолжительностью 24-25 минут. Но влияние микроволнового нагрева на другие сорта макаронных изделий не было исследовано. Хотя СВЧ-нагрев значительно сокращает продолжительность сушки макаронных изделий, но применять его на всем протяжении процесса высушивания невозможно, т.к. до 20 % влажности макаронные изделия являются пластичным материалом, а резкий нагрев их внутренних слоев приводит к образованию паровоздушных пузырьков, с другой стороны, когда высушиваемый материал приобретает характер твердого тела интенсивный прогрев приводит к образованию микротрещин в результате значительного по величине градиента влажности и как следствие, неравномерной усадки слоев изделий, а также к коричневению в результате реакции Майяра. Сушка в поле токов высокой и сверхвысокой частоты, а также терморадиационная сушка макарон ещё недостаточно изучены. При использовании только одной из технологических схем (НТ, ВТ, СВТ, ИК и СВЧ) на всем протяжении сушки имеется опасность снижения качества макаронных изделий, даже если для их изготовления было использовано высококачественное сырьё, и лишь определенные сочетания режимов сушки дают возможность получить изделия оптимального качества. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||