XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность работы

Процесс переработки какао-бобов состоит из нескольких технологических подпроцессов, наиболее важными из которых являются процессы термообработки. Режим термообработки определяет основные параметры качества готовых какао-продуктов и, кроме того, процессы термообработки являются наиболее энергоемкой стадией всего процесса. Энергообеспечение процесса термообработки осуществляется за счет использования электроэнергии.

Считается, что в большинстве развивающихся стран, таких как страны Африки, не более 20%, а в некоторых странах лишь 5% населения имеют прямой доступ к электричеству. Гана в настоящее время имеет возможность производить меньше 40% электроэнергии, необходимой для энергообеспечения промышленных предприятий. В результате этого большинство отраслей промышленности в стране не работают на полную мощность.

Одним из путей повышения энергоиспользования промышленных предприятий является автоматизация их технологических процессов.

Фундаментальные работы A.B. Лыкова, С. Уитекера, П.А. Ребиндера, Р. Devries по теории сушки дают понятия физических основ химических процессов, протекающих при сушке. Вопросы моделирования процесса термообработки какао-бобов рассматривали J. Nganou, C.L. Hü, и др. Однако предложенные ими модели термообработки не дают однозначного решения при выборе метода термообработки и его имитационного описания и моделирования, а также этими авторами не были рассмотрены вопросы реакции ферментативного потемнения какао-бобов при их термообработке.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью постоянного уменьшения энергозатрат, требуемых для термообработки, при заданных значениях показателей качества конечных какао-продуктов.

Учитывая высокую энергоемкость процессов термообработки, необходимо стремиться к повышению его эффективности путем совершенствования методов управления, технологии и техники термообработки. Решению данной задачи посвящена предлагаемая работа.

Объектом исследования является технологический процесс термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании в непрерывном режиме.

В качестве предмета исследования выступают алгоритмы, модели и средства автоматизации процесса термообработки какао-бобов в непрерывном режиме.

Целью работы является повышение эффективности процесса термообработки какао-бобов на основе использования методов моделирования и современных средств автоматизации технологического процесса.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1) Исследование физической системы и процесса термообработки какао-бобов.

2) Разработка математической модели для моделирования процесса термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании.

3) Разработка структуры и алгоритма работы системы автоматизированного управления процессом термообработки какао-бобов.

4) Разработка методик определения наилучших условий/параметров термообработки какао-бобов.

5) Разработка комплекса программ для моделирования процесса термообработки бобов, в том числе определения наилучших условий/параметров термообработки, оценки их текущего состояния и расчета времени термообработки.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы методы вычислительной математики, методы современной теории управления, методы имитационного математического моделирования.

Научная новизна. Процесс рассматривается с системных позиций как многостадийный, что позволяет описать каждую его лимитирующую стадию в виде дифференциальных уравнений в частных производных.

Предложена математическая модель процесса термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании, основанная на периодах нагрева, постоянной и падающей скорости термообработки и отличающаяся использованием источникого члена, учитывающего тепловыделение за счёт реакции ферментативного потемнения какао-бобов при их термообработке.

Разработана методика определения параметров процесса термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании. Методика предназначена для расчета полей температур, времени реакции ферментативного потемнения и термообработки. Это позволяет изучить

влияние основных параметров процесса термообработки на полях температуры и продолжительности процесса. Выделен комплекс управляемых параметров для создания методики автоматизированного управления процессом в реальном масштабе времени. Разработана методика расчета настройки регулятора, использующая метод дифференциальной эволюции.

Практическая ценность работы. Разработанные модели и методики позволяют анализировать и рассчитывать условия термообработки, такие как распределение тепла на поверхности и внутри слоя какао-бобов во время термообработки, продолжительность термообработки. Разработан комплекс программ, позволяющих рассчитывать оптимальные технологические режимы процесса термообработки какао-бобов в конвективном оборудовании (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ No 2014661739). Программа является мощным инструментом принятия решений, который полезен инженерам и операторам для разработки оптимальных условий термообработки, что необходимо' для улучшения качества какао-бобов и конечных какао-продуктов.

Предложенная система автоматизированного управления позволяет сократить время нагрева и обеспечить требуемое поле температуры, отражающееся на эффективности процесса и качестве бобов.

В данной статье рассмотрен следующий комплекс теоретических и прикладных вопросов. Во введении обоснована актуальность темы статьи, сформулированы цель и задачи работы, изложены научная новизна ипрактическая ценность результатов, сформулированы основные положения.

Выполнен обзор научно-технической литературы по процессам переработки какао и термообработки какао-бобов в пищевой промышленности (рис. I). Проанализированы свойства какао-бобов как объекта термообработки.

Была также рассмотрена необходимость термообработки какао-бобов и выделены характеристики их термообработки. Было рассмотрено оборудование термообработки для его классификации по различным принципам и критериям. Проводился обзор широко используемых методов для моделирования и управления процессом термообработки. Это показало, что современные методы моделирования и управления процессом

термообработки включают в себя использование методов искусственного интеллекта, таких как нечеткая логика и нейронные сети, и методов математического моделирования.

На основе выполненного обзора по современному состоянию и направлениям развития теории и техники термообработки какао-бобов сформулированы основные научные и практические задачи .Также, отражены комплексные экспериментальные исследования процесса термообработки какао-бобов при различных режимах эксплуатации оборудования (рис. 2).

где: 1 - вход оборудования; 2 - влажные какао-бобы; 3 - слой какао-бобов; 4 -конвейерная лента; 5 - сушильная камера; 6 - сухие какао-бобы; 7 - циклон; 8 – мотор конвейера; 9 - сушильный воздух на впуске; 10 - вентилятор; 11 - нагреватель; 12 -горячий сушильный воздух; 13 - влажный сушильный воздух на выходе; Оо – начальное влагосодержание; иг - конечное влагосодержание; Ь - скорость потока сушильного агента на входе; 1г - расход сушильного воздуха на выходе; Тс - температура сушильного воздуха; Тг - температура сушильного воздуха на выходе; Ус - скорость сушильного воздуха; - тепловой поток; 1п1 - поток влаги; длина слоя; х - координаты. .

Экспериментальные исследования позволили изучить основные закономерности процесса термообработки слоя какао-бобов в конвективном оборудовании в непрерывном режиме. Приведен анализ влияния основных параметров на поля температуры и продолжительности термообработки (см. рис 3)

Вывод. Учитывая высокую энергоемкость процессов термообработки, необходимо стремиться к повышению его эффективности путем совершенствования методов управления, технологии и техники термообработки.

Л и т е р а т у р а

Александров А. А. Метод микроэлектрофореза в физиологии. — Л.: Наука, 1983. —148с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. , Пиркин А.Г.- Энергетика технологических процессов в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2011. – 265с.

Беззубцева М.М. - Электротехнологии и электротехнологические установки. – СПБ: СПБГАУ, 2012.

Код для цитирования: Скопировать