Монография рекомендовано к изданию Ученым советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет

• Название: Монография рекомендовано к изданию Ученым советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет
• Дата: 21.11.2019
• Размер: 7.64 Mb.
• Имя файла: 1112227.doc
• Тип: Монография; #96310
• страница: 4 из 36

2.2 Средства автоматизации технологии

• 
  настоящее время некоторые поточные линии производства макаронных изделий автоматизированы. Основными контролируемыми технологическими параметрами процессами сушки считаются температура и влажность воздуха в зонах сушилки, а также температура и влажность самого продукта. Однако, в настоящее время, осуществлять непрерывные измерения температуры и влажности обрабатываемого продукта не представляется возможным. Как правило, измерение параметров, характеризующих состояние продукта в основных зонах сушки, выполняется периодически по определенным методикам с использованием специального лабораторного оборудования и приборов. С внедрением в производство макаронных изделий наиболее прогрессивных технологий высокотемпературной и сверхвысокотемпературной сушки непрерывный контроль параметров в динамике сушки стал совершенно необходим.
  

Автоматическое измерение, регистрация и регулирование параметров технологических процессов, а также управление механизмами поточных линий различных модификаций осуществляется с помощью автоматических систем. В состав типовой системы управления поточной линией входят:
- специализированные датчики (температуры, влажности и др.), размещенные в характерных для процессов сушки зонах сушилки;

- измерительные приборы и регистраторы для визуального контроля за ходом процессов;

30

• 
  автоматические регуляторы, обеспечивающие стабилизацию технологических процессов посредством воздействия на исполнительные механизмы запорных и регулирующих органов (клапанов, заслонок, переключателей);
  

• 
  органы дистанционного ручного управления (ключи, кнопки клавиши).
  

В качестве средств автоматизации используются:

• 
  датчики температуры, которые представляют собой термочувствительные элементы с изменяющимся электрическим сопротивлением;
  
• 
  датчики измерения относительной влажности сушильного воздуха, которые представляют собой пары термометров, один из каждой пары является «мокрым», другой «сухим». Автоматическая система регулирования обеспечивает режим сушки путем поддержания требуемой разницы между показаниями «сухого» и «мокрого» термометров;
  
• 
  емкостно-резисторные датчики, которые представляют собой гигроскопический полимер (диэлектрик), который изменяет свои свойства в зависимости от влажности среды. Распространены две модификации этого датчика:
  

• 
  ZUT-С, применяемая для контроля температуры и влажности среды до 100 ⁰С и двумя выходными сигналами напряжения постоянного тока (0-1 В);
  
• 
  HTR, применяемая для контроля температуры и влажности среды от
  
• 
  20 ⁰С до 150 ⁰С с двумя выходными сигналами постоянного тока (4-20 mA). Один из пары выходных сигналов датчиков пропорционален влажности, другой температуре среды;
  
  • 
    энкодеры, которые позволяют контролировать различные физические
    
  • 
    механические процессы и посылать кодированные серии дискретных сигналов (импульсов), которые, в свою очередь, могут быть использованы для дистанционного управления механизмами и системами регулирования;
    
    • 
      программируемые логические средства управления, которые представляют собой статические и динамические схемы, функционирование которых достигается коммутацией соответствующих компонентов схемы проводными связями в зависимости от программы, заложенной в эту схему.
      

Созданные системы управления ввиду невозможности полноценного непрерывного измерения параметров обрабатываемого материала основаны на контролировании и регулировании параметров теплоносителя. Для дальнейшего улучшения качества необходимы прямые измерения параметров материала, а именно их структурно-механических характеристик, т.к. макаронные изделия по мере удаления влаги теряют свойства пластичности.

Если свойства или условия работы сложного технологического процесса недостаточно известны или существенно непостоянны, то необходима адаптация характеристик системы. В систему в этом случае встраивается вычислительное устройство, которое пересчитывает значения фактически работающей передаточной функции до тех пор, пока отклонение регулируемого квантованного параметра не придет к нулю за минимально возможное время.

31

3. 
   Математическая модель процесса сушки макаронных
   

изделий
3.1 Анализ растрескивания упруго-пластического материала
Лыков А.В., Ауэрман Л.Я. связали влагораспределение внутри материала

• 
  геометрическими размерами тел (толщиной слоя). Поэтому рассмотрим процесс потери влаги макаронными изделиями, принимая слой изделий за неограниченную пластину толщиной 2R (половина толщины пластины). Экспериментально установлено, что для макаронных изделий зависимость длины от влажности l = f (W) получается линейной практически на всем протяжении их сушки и увлажнения (рисунок 3.1). Такая линейная зависимость может быть выражена следующим образом
  

l= l₀(1+αW )
или

l= l0(1+αU),

(3.1)

где l – длина макаронных изделий,мм;

l₀–первоначальная длина макаронных изделий,мм;

• 
  - коэффициент интенсивности усадки;
  

W –средневзвешенная влажность макаронных изделий, %; U – влажность материала в любой его точке, %.
Усадку можно характеризовать с помощью величины δ – это относительная по отношению к первоначальной длине усадка.

Причем	δ =	l1− l2	=	l0− l	(3.2)
		l1		l0

Интенсивность усадки лучше характеризовать величиной α.

• 
  случае, если зависимость l = f (W) представляет собой прямую линию, то коэффициент линейной усадки определяли из графика усадки по тангенсу угла наклона прямой
  

α =	1	tgϕ	(3.3)
	l

Можно также определить коэффициент линейной усадки по формуле

α =		δ			(3.4)
	(W −W		)−δ ⋅W	1
	1	2

При этом использовались графики изменения длины при сушке (рисунок
3.1).

32

	155
мм	150
длины,	145
	140
Изменение	135
	130
	125
	120
	11,3	13,4	15,4	16,1	17,7	19,6	21,3	23,3	25	26,2
			Влажность макаронных изделий, %

конвективная сушка сушка после пропаривания
Рисунок 3.1 – Графики изменения длины при сушке
Анализируя графики изменения длины изделий в процессе сушки можно сделать вывод, что коэффициент линейной усадки остается практически постоянным на всем протяжении сушки. Сушка различных слоев изделий происходит неравномерно. Поэтому линейная деформация определяется
ε =δ −ξ , (3.5)
где ξ - фактическая относительная усадка, причем её величина связана
с возникающими в материале в данных слоях изделий напряжениями.

Как указывалось выше, слой высушиваемых макаронных изделий соответствует неограниченной пластине толщиной 2R. Будем считать, что испарение происходит с двух противоположных поверхностей.

Распределение влажности можно принять за параболическое

	X 2			П ),
	U=UЦ−		⋅(UЦ −U		(3.6)
		R
где U–	влажность в точке с координатой Х, %;
U Ц	– влажность центральных слоев, %;

U_П–влажность поверхностных слоев, %.
Для определения деформаций и напряжений в слое представим, что слой состоит из тонких (бесконечно тонких) полосок (стержней). Если бы они сжимались при сушке самостоятельно, независимо друг от друга, то относительное сокращение их (относительная усадка к первоначальной длине l₀)будет равна

33

_{δ =} ^l0 ^{− l} _,
l₀
или подставив уравнения (3.1) и (3.2)

α

X 2

δ =

(UH

− U

Ц )+

⋅ (UЦ

− U

П )

,

1

+αUH

R

(3.7)


(3.8)

где U_H – начальная влажность (до сушки) пластины, %;

• 
  – коэффициент интенсивности усадки.
  

Подвесную сушку макаронных изделий стремятся проводить при толщине слоя равном толщине одного изделия. Следовательно, в этом случае, когда каждые полоски слоя сокращались бы самостоятельно, относительное сокращение /δ/ их отображалось бы параболической кривой δ = f(x) (см. рисунок 3.2)
Однако, действительные сокращения будут одинаковы и отобразятся прямой /ξс/ параллельной оси абсцисс.
Вследствие несовпадения кривой δ и прямой ξс в пластине возникают напряжения /σ/, зависящие от разности между той деформацией δ, которую имела бы данная полоска, если бы её свобода сокращения ничем не была бы ограничена и деформацией ξс, которую получила полоска в действительности.
Причем центральные слои будут испытывать деформацию сжатия ε ′ = ξ_С − δ , ξс>δ,а поверхностныеε′ =δ−ξ_С-деформацию растяжения.
δ, у.е. δ

ξс

R

Рисунок 3.2 – Послойное сокращение макаронных изделий
Положение прямой ξс определяется следующими условиями: все внутренние перемещения находятся в равновесии ∫^R (ξ _C − δ )⋅ dx = 0 .
0

34

Если подставить вместо δ его выражение (3.8), то получим

ξC

=

α

(UH −U

Ц )+

1

(UЦ

−UП)

(3.9)

1

+α ⋅UH

3

Деформации же поверхностных и центральных слоев соответственно

будут

2

α

εП=δП

− ξС

=

⋅∆U ;

(3.10)

3

⋅

1+α ⋅UH

1

α

ε Ц

= ξС

− δ Ц

=

⋅

⋅∆U,

(3.11)

3

1+α ⋅UH

где ∆U = U_Ц −U_П .

Разница ∆U прямо пропорциональна градиенту влажности у

поверхностного слоя

∇U

П , так как

dU

2

∆U

∇U

П

=

=

(3.12)

dп

П

R

Появление трещин на поверхности обусловлено предельным напряжением σ_n=σ_m, причем деформации не приводящие к разрушению изделий могут быть только упругими, т.к. все остальные виды деформаций приведут к разрушению изделий.

Поэтому справедливо

σ m=E⋅ ε П,

(3.13)

где ε_n–линейная относительная деформация;

• 
  - модуль упругости при линейной деформации, Па.
  

Причем для первого этапа действует дополнительное ограничение σ_m ≤σ_Т, где σ _Т - предел текучести при растяжении, Па
Отсюда

σ m

=

2

⋅

α ⋅E

⋅ ∆U MAX

=

1

⋅

α⋅E⋅R

⋅(∇U П )МАХ

(3.14)

3

(1+α ⋅UH )

3

(1+α ⋅UH )

Следует отметить, что Е является функцией от влажности и температуры поверхностного слоя макаронных изделий.

35

При любом (не параболическом) законе распределения влажности, т.е. при толщине слоя высушиваемых макаронных изделий не равном толщине одного изделия, предельное напряжение для поверхностных слоев будет равно

σ m	=		α ⋅E				⋅(W −U	П )	(3.15)
		(1	+α ⋅UH	)

Выше было отмечено, что образование трещин всегда можно приписать действию растягивающего напряжения.
Однако в объемно-напряженном состоянии, когда наряду с растягивающим и сжимающим напряжениями действуют также опасные касательные напряжения, линейная деформация сопровождается сдвигом.

Из общей теории упругости известно, что для твердых тел при наличии линейной деформации, сопровождающейся сдвигом, наибольшие касательные напряжения возникают в плоскостях, составляющих угол в 45 ⁰С с направлением линейной деформации. В этих условиях максимальное скалывающее напряжение достигает по величине половины максимальных нормальных напряжений.

• 
  соответствии с этим деформацию сдвига выражают через деформацию растяжения на основании связи, существующей между модулем и коэффициентом упругости. Так, например, величина угла сдвига φ,
  

сопровождающего линейную деформацию ε = ^∆_l^l , связана с нею равенством

ϕ =(1+ µ)⋅

∆l

l

Здесь

∆l

=

1

⋅

F

=

1

⋅σ m

(3.16)

l

E

S

E

Сдвиг на угол φ вызывается скалывающим напряжением σ t

= K1σ m , с

которым он связан равенством

ϕ =

σ t

=

σ m

(3.17)

К1 ЕСДВ

EСДВ

После подстановки этих выражений для φ и ^∆_l^l в связывающее их

равенство и сокращая на σm получим:				1		=	1+ µ
		К1		⋅ ЕСДВ				Е
или ЕСДВ	=				Е				(3.18)
			К1		(1+ µ)

Подставим теперь в формулу (3.14) значение величины Е, выраженное через модуль сдвига, коэффициент К₁ и коэффициент Пуассона µ.

36

∇U		=	3⋅ (1+ α ⋅U П )⋅σ m ⋅ K1	.	(3.19)
		П	α ⋅EСДВ⋅(1+ µ)⋅R

По формуле (3.19), зная механические характеристики макаронных изделий, можно вычислить максимально допустимый градиент влажности на поверхности макарон ∇U _П . В эту формулу входит величина (σ_m - предельное
нормальное напряжение, соответствующее началу процесса трещинообразования), которую трудно определить из опыта, т.к. она сильно зависит от скорости нагружения.

• 
  опытах фактически наблюдается не момент начала образования трещин, а уже их развитие. В связи с этим, наблюдаемые значения предельного
  

′	существенно превышает величину σm, входящую в
напряжения растяжения σ m

расчетную формулу. Для того, чтобы при определении истинного значения σ_m можно было пользоваться любым прибором, и в частности, прибором ПМ (прибор Медведева, разработанный в лаборатории макаронного производства московского технологического института пищевых производств), имеющим
достаточно большую скорость нагружения, целесообразно ввести относительный коэффициент, который находится из соотношения

σ m		= K2,	(3.20)
σ	′
	m

где σ_m – истинное значение предельных нормальных напряжений. Коэффициент К₂ учитывает конструктивные особенности прибора и
свойства испытуемого тела.

Тогда формула (3.19) примет вид

				3⋅(1+α ⋅U	′	⋅ K1	⋅ K2
∇U			=		П ) ⋅ σ m			(3.21)
		П		α ⋅EСДВ	⋅(1+ µ)⋅ R

В связи с тем, что слой макаронных изделий, состоящий из единичных изделий различного поперечного сечения имеет неровные поверхности влагоотдачи и может иметь пустоты внутри (для трубчатых изделий), реальный градиент влажности должен быть несколько ниже, чем рассчитываемый по формуле (3.21).
Для учета вышесказанного, введем коэффициент ξ₁, учитывающий форму поперечного сечения входящих в слой изделий и форму поверхности слоя.
Тогда уравнение (3.15) перепишется в виде
37

∇U

=

3

⋅(1+α ⋅U

П

) ⋅σ

m

′ ⋅ K

1

⋅

К

2

.

(3.22)

α ⋅EСДВ⋅(1+ µ)⋅R⋅ξ1

П

Коэффициенты К₁, К₂ и ξ₁ можно объединить в общий коэффициент К, учитывающий реологические свойства материала, конструктивные особенности прибора, форму единичных изделий, образующих макаронный слой и кривизну поверхности слоя изделий.
Тогда формула для определения максимально возможного градиента

влажности, с которым можно высушивать изделия примет вид
	∇U		П =	3	⋅ (1 + α ⋅U П )⋅σ m′ ⋅ K		(3.23)
					α ⋅EСДВ⋅(1+ µ)⋅R

В данной формуле коэффициент К остается неизменным на всем протяжении сушки, модуль сдвига Е и коэффициент Пуассона µ являются функциями от влажности Un и температуры поверхности t_n, которые в свою очередь являются функциями от параметров сушки.