Орленко Е.Г., Федюн Р.В. Автоматическое управление процессом концентрирования фруктового сока методом выпаривания
Метод выпаривания используется для удаления избыточной воды, путем нагревания воды в вакууме. Это позволяет увеличить концентрацию сахаров в соке и уменьшить его объем. Содержание сухих растворимых веществ в свежевыжатом яблочном соке составляет порядка 12%. Путем концентрирования сока методом выпаривания долю содержания сухих растворимых веществ можно повысить до 70-75%. Выпаривание воды сопровождается сложными физико-химическими изменениями. Меняются основные свойства продукции. Поэтому подбор режимов и условий данного технологического процесса является важнейшей работой в создании устройств для концентрирования продукции [1].
Процесс можно проводить при атмосферном давлении или в вакууме. При атмосферном давлении вторичный пар отводится в атмосферу. Это самый простой способ, но малоэкономичный, который ухудшает качество продукта за счет высокой температуры нагрева. В вакууме необходимая температура в испарителе снижается, что экономически сказывается на самом процессе производства и на качестве готовой продукции.
Процесс выпаривания производится при наиболее возможных низких температурах и кратковременно. Это необходимо для сохранения питательной ценности продукта.
Для выпаривания соков применяют разные типы выпарных аппаратов. Выбор типа зависит прежде всего от вида сока и его свойств.
При выпаривании осветленных соков лучшие результаты получены при использовании тонкопленочных выпарных аппаратов, в которых достигается высокая скорость движения выпариваемой жидкости. Существует два основных типа пленочных выпарных аппаратов – трубчатые и пластинчатые. Применяются в основном для выпаривания осветленных соков.
Выпарные аппараты бывают одноступенчатыми, в которых греющий пар используется один раз и его расход составляет примерно 1,1 кг/кг испаренной воды, и многоступенчатыми, в которых используется теплота вторичного пара [1].
В данной работе рассматривается пластинчатый одноступенчатый выпарной аппарат, который применяется для концентрирования осветленного яблочного сока.
Вакуумно-выпарная установка (выпарная станция) – это оборудование для термического удаления части воды из фруктовых соков в условиях вакуума при температурах, ниже температуры кипения воды при атмосферном давлении.Схема выпарной установки для концентрирования яблочного сока представлена на рисунке 1.
Исходный продукт подаётся на выпаривание в однокорпусной выпарной аппарат 2 из сборника 1 центробежным насосом Н1. Выпарной аппарат обогревается водяным паром давлением 200 кПа. Концентрированный продукт откачивается в сборник 3 центробежным насосом Н2.. С учетом выполненного в [2] анализа процесса концентрирования сока методом выпаривания как объекта управления, получена схема выпарной установки как объекта управления, которая приведена на рисунке 2.
Основными управляемыми переменными выпарной установки являются: концентрация Qк выходного продукта (концентрата) и уровень жидкости L в аппарате. Управляющими воздействиями являются: расход греющего пара Fп и расход концентрата Fк. Возмущающими воздействиями являются: расход Fс исходного продукта (сока) и исходная концентрация Qс.
Рисунок 1 – Схема технологического процесса выпаривания
Рисунок 2 – Схема выпарной установки как объекта управления
Выполненный анализ принципов построения САУ и структурных схем их реализации,позволил разработать схему концепции построения САУ выпарной установкой, которая приведена на рисунке 3.
Для достижения требуемой эффективности управления уровнем жидкости в аппарате предлагается реализовать САУ с использованием комбинированного принципа управления. САУ уровнем жидкости представляет собой систему автоматического управления с компенсационным каналом по основному возмущению – расходу сока Fс и с каналом обратной связи, задающим воздействием для которого является уровень жидкости Lз (рис.3). Контур управления уровнем жидкости в баке состоит из следующих элементов: объекта управления – выпарной установки ВУ, регулирующегоклапана Р1, электропривода регулирующего клапана ЭП1, датчика расхода исходного продукта Д1, датчика уровня Д2, регулятора расхода пара Р1, задающего устройства по уровню З1 (рис.3).
Для достижения требуемой эффективности управления концентрацией готового продукта предлагается реализовать САУ с использованием комбинированного принципа управления. САУ концентрацией представляет собой систему автоматического управления с компенсационным каналом по основному возмущению – расходу сока Fс и с каналом обратной связи, задающим воздействием для которого является концентрация готового продукта Qкз (рис.3). Контур управления концентрацией готового продукта состоит из следующих элементов: объекта управления – выпарной установки ВУ, регулирующегоклапана РК2, электропривода регулирующего клапана ЭП2, датчика расхода исходного продукта Д3, датчика концентрации Д4, регулятора расхода пара Р2, задающего устройства по концентрации З2 (рис.3).
Рисунок 3 – Схема концепции построения САУ выпарной установкой
На рисунке 4 приведена функциональная схема САУ процессом концентрированияяблочного сока методом выпаривания, которая позволяет осуществить реализацию предложенной концепции построения САУ (рис.3).
Система автоматического управления процессом концентрации яблочного сока состоит из двух, одинаковых по структуре, подсистем (рис.4):
- САУ концентрацией готового продукта, которая реализуется программным регулятором QIRAC (поз.1-3). Регулятор сравнивает сигналы датчиков концентрации готового продукта QE (поз.1-1) и расхода исходного продукта FE (поз. 1-2) с заданным значением концентрации, которое вводится в САУ через человеко-машинный интерфейс –HMI. Программный регулятор концентрацией готового продукта QIRAC (поз.1-3) формирует управляющее воздействие и выдает его исполнительному механизму – электроприводу регулирующего клапана подачи греющего пара FNC (поз.1-4) (рис.4).
- САУ уровнем жидкости в аппарате реализуется программным регулятором LIRAC (поз.2-2). Регулятор сравнивает сигналы датчиков уровня LE (поз.2-1) и расхода исходного продукта FE (поз. 1-2) с заданным значением уровня жидкости в аппарате, которое вводится в САУ через человеко-машинный интерфейс – HMI. Программный регулятор уровня жидкости в аппарате LIRAC (поз.2-2) формирует управляющее воздействие и выдает его исполнительному механизму – электроприводу регулирующего клапана расхода готового продукта FNC (поз.2-3) (рис.4).
Отдельный контур предназначен для реализации функции контроля расходов пара и концентрата, концентрации исходного продукта и температуры концентрата. Состоит из: датчиков расхода готового продукта FE (поз. 3-1) и расхода пара FE (поз.3-2), концентрации исходного продукта QE (поз. 3-3), температуры концентрата TE (поз. 3-4) и программного устройства контроля FQTR (поз.3-5) (рис.4).
Рисунок 4 – Функциональная схема САУ процессом концентрации яблочного сока
Функции управления (С) в разрабатываемой САУ реализуются программно в ПЛК. Необходимые функции регистрации (R), индикации (I) и сигнализации (А) в разрабатываемой САУ реализуются совместно PLC и панелью оператора, представляющей собой устройство человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) (рис.4). Все необходимые информационные функции САУ реализуются программным обеспечением PLC и устройства ЧМИ с использованием возможностей телекоммуникационной сети – Network (рис.4).
Список источников
- Самсонова А.Н. Фруктовые и овощные соки (Техника и технология) / Самсонова А.Н., Ушева В.Б. – 2е изд. Москва: Агропром издат, 1990. – 287 с.
- Федюн, Р. В. Выпарная установка для концентрирования яблочного сока как объект автоматизации / Р. В. Федюн, Е. Г. Орленко // Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХХIII международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 23-25 мая 2023 г. -Донецк: ДонНТУ, 2023. – С.89 – 92.