Методология разработки математических моделей гидродинамических процессов с целью автоматизации пищевых производств

Повышение эффективности различных отраслей пищевой промышленности является одним из приоритетных направлений на современном этапе экономического развития Российской Федерации. В настоящее время все более возрастают требования к повышению качества и конкурентоспособности готовых отечественных продуктов питания на мировом рынке. Решение данных проблем в условиях ограниченности материальных и финансовых ресурсов невозможно без неуклонного наращивания научно-технического потенциала пищевых производств Агропромышленного комплекса (АПК), для чего необходимо создание и широкое использования инновационных наукоемких технологий как источника достижения стратегических целей, позволяющих добиться конкурентных преимуществ.

В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физикохимических, биохимических и микробиологических процессов, основанных на явлениях и закономерностях преобразования пищевых сред, который проводится на оборудовании, предназначенном для ведения механических и гидродинамических процессов, а также на оборудовании для ведения тепло-, массообменных и биотехнологических процессов.

Разработка моделей гидродинамических процессов в пищевой промышленности является> актуальной задачей математического моделирования. Решение ее позволяет автоматизировать технологические процессы и разрабатывать новые устройства и системы обработки, а также интенсивно и безопасно использовать имеющееся оборудование и технологические линии для целей более эффективного их применения. Во многих случаях разрабатываемые математические модели должны не только адекватно описывать соответствующие реальные процессы, но и позволять их оптимизировать, диагностировать и решать практические задачи управления ими [1−18].

С позиции общих требований, предъявляемых к математическим моделям, они не должны быть чрезмерно сложными или слишком упрощенными, но в каждом конкретном случае использования должны соответствовать реальным задачам описания объектов. Для этого необходимо прежде всего разделять их по целям моделирования, средствам используемого математического аппарата и численным методам, а также видам создаваемого программного продукта. При этом следует проводить оценку допущений, используемых при формировании математических моделей, а таюке диапазона изменения режимных и проектных параметров объекта, используемых в его описании.

Наиболее многочисленные математические модели в пищевой промышленности ориентированы на описание сложных и разнообразных теплои массообменных процессов обработки пищевых масс, физического и химического взаимодействия их компонентов в конкретных агрегатах и аппаратах. Большое внимание уделено описанию работы самих технологических устройств, взаимодействию различного вида оборудования с пищевыми массами, а также способам и средствам воздействия на них для получения продукции с необходимыми свойствами и качеством. Результатом применения таких математических моделей в практике пищевого производства являются расчеты полей скоростей, температур и концентраций компонентов в объеме пищевых масс на разных этапах обработки, позволяющие выявить оптимальные режимы работы оборудования, минимизировать потери продукции, улучшить ее качество. Математическому моделированию гидросистем (ГС) пищевой промышленности как единой связанной динамической системы уделено меньше внимания.

Вместе с тем ряд вопросов качества обработки продуктов в технологическом процессе, стабильной работы и динамической устойчивости агрегатов и контуров ГС могут быть решены только из анализа результатов математического моделирования всей гидромеханической системы как связанной динамической системы [2−4]. Особую важность это приобретает в последнее время в связи с ростом энергонапряженности применяемого оборудования и 1 I г режимов обработки пищевых масс [16−17]- включением в существующие схемы и сложившуюся инфраструктуру производства новых, автономно разработанных и действующих независимо систем и агрегатов, внедрением интенсивных инновационных технологий с использованием вибраций оборудования и пульсаций потока [18, 19, 22−32]- внедрением информационных технологий, применением автоматизированных систем контроля и управления производством, [6−11]. В этом случае важными характеристиками гидросистем будут являться спектр собственных частот, формы колебаний, амплитуднои фазочастотные характеристики, запас устойчивости и качество переходных процессов.

Гидромеханические системы, используемые в пищевой промышленности, отличаются большим разнообразием, вытекающим из назначения конкретных производств, видов и типов пищевых масс, условий протекания процессов. В структуре таких систем можно выделить аппараты и устройства, в которых происходит собственно процесс обработки (нагрева, смешения, сепарирования, экстрагирования, аэрации, и т. д.) пищевых масс, системы предварительной фильтрации компонентов и ввода рабочих тел в зоны обработки, насосы и напорные баки, объединенные разветвленной системой проточных каналов и трубопроводов с установленной на них запорно-клапанной и другой регулирующей арматурой. Протяженность продуктопроводов с учетом межцеховых и межоперационных переходов, трубопроводных систем водоподготовки, котельного, нагревательного и вспомогательного оборудования, составляющего параллельную локальную разветвленную структуру, может составлять сотни метров. На рис.В.1-В.11 приведены типовые схемы производств с разветвленными гидросистемами различного назначения [13, 14, 16−18.].

Рис. В.1 Технологическая схема производства «Яблочного кваса» 1 — чан с паровым барботером- 2 — центробежный насос- 3 — теплообменник- 4 — бродильно-купажный аппарат- 5 — фильтр- 6 — сборник яблочного сока- 7 — чан для молочнокислой закваски- 8 — чан для дрожжей- 9 — монжю для дрожжей и молочнокислой закваски- 10 — дозатор для сиропа- 11 — сиропова-рочный котел- 12 — воздушный компрессор- 13 — сборник-переохладитель для кваса- 14 — разливочная машина- 15 — укупорочный полуавтомат- 16 — этикеточный автомат- 17 — бракеражный фонарь.

• - Мг.

— тфйр?" зфжнхх т £20ЖЖи пШт®- — сжйт^ ¿-Ьф".

Рис. В.2 Общий вид установки для гидродинамической экстракции (экстрагирование веществ из растительного сырья).

Рис. В. З Технологический процесс производства стерилизованного молока.

1- автоцистерна- 2 — насос для молока- 3 — весы- 4 — приемная ванна- 5 -сепаратор-нормализатор-очиститель- 6 — пластинчатый охладитель- 7- резервуар для хранения молока- 8-трубчатый стерилизатор- 9 — гомогенизатор- 10 -буферный резервуар для резервирования и подогрева молока- 11 — бутылко-моечная машина- 12 — транспортер для бутылок- 13- машина для розлива молока.

Очищенный полированный солод, А I) — На фасование.

Рис. В.4 Схема технологической линии производства пива.

Типовая технологическая линия производства пива включает: вальцовую дробилкувесыбункермагнитный сепараторзаторные аппаратыфильтрационный аппаратсусловарочный аппаратхмелеотделительцентробежный тарельчатый сепараторпластинчатый теплообменникбродильные чанытанкисепаратор-осветлительфильтртеплообменниккарбонизаторсборник горячего сусла.

Во многих случаях для повышения эффективности производства в процессах обработки применяют нестационарные и пульсационные режимы течения потоков в гидросистемах пищевых производств [22−30]. Так, высокую эффективность показывают процессы экстрагирования на частотах до 45 Гц, реализуемые при использовании пульсационнорезонансной аппаратуры ПРА, в которой частота колебаний внешней возбуждающей силы близка к собственной частоте колебаний системы аппарат — гетерогенная обрабатываемая среда, рис. В.5.

Рис.В.5 Схема горизонтального ПРА: 1 — Т-образные секции- 2 — Ь-образные секции- 3 — пульсатор- 4 — УЭ. ИК — исход, компонентыГП — гото.

Кавитационные и пульсационные режимы течения используются для интенсификации процессов фильтрации, мойки и обеззараживания оборудования и исходного сельскохозяйственного сырья, [30−32] .

Также в процессе обработки пищевых масс, реализуются условия для формирования двухфазных газожидкостных смесей. К этому, в частности, могут приводить массообменные процессы при тепловом воздействии, химические реакции, биотехнологические процессы, нестационарные кавита-ционные явления, а также непосредственное смешение жидкой и газовых.

ИК г вые продукты. компонентов потока. Примером тому могут служить указанные ниже процессы.

1) Процессы водоподготовки в пищевых производствах, включающие озонирование и аэрирование.

Развитие современных предприятий пищевой промышленности в области пивоварения, производства соков, безалкогольных напитков, бутилиро-ванной воды, молочных продуктов, детского питания, хлебобулочных и кондитерских изделий, подготовки воды для консервирования овощей и фруктов, многих других пищевых производств, успешно работающих на рынке, невозможно без качественной водоподготовки с использованием систем фильтрации, обеззараживания, кондиционирования.

Распространенным и экологически чистым способом обеззараживания воды является ее озонирование, рис. В.6, все больше вытесняющее процесс хлорирования. Сфера применения озонирования воды очень широка: это собственно обеззараживание воды, а также обработка ею рабочих поверхностей, оборудования, трубопроводов и емкостей предприятий пищевой промышленности, а также различных пищевых продуктов (овощей, фруктов, мяса, рыбы и т. п.). При этом обеспечивается надежная стерилизация за минимальное время при минимуме производственных затрат и без применения вредных реагентов или пара.

ИСлуцг",-!"" вода.

Озон.

Активиро&знныи угопь.

Ичзв^.

Чиста" вопа.

Рис. В.6. Схема установки обеззараживания воды путем ее озонирования.

Аэрация — процесс обогащения воды кислородом воздуха может проводиться также как и озонирование с помощью водовоздушных инжекторов типа сопла Вентури (при прохождении воды через инжектор в его узкой части образуется разряжение, засасывающее воздух) — компрессоров (в трубопровод с водой, находящейся под давлением, подаётся воздух с давлением, превышающим давление воды) — барботажных установок (пробулькивание мелкими пузырьками воздуха объёма воды) — брызгальных установок и форсунок, рис. В.7. гчСЗ.

Рис. В.7 Схема установки аэрации с разбрызгиванием рабочей жидкости форсунками в баках.

2) Процессы газификации минеральных вод, карбонирования пива, кваса, шампанских вин, сатурации фруктовых напитков Схема гидросистемы с участком карбонирования (насыщения пива С02) приведена на рис. В.8. Здесь вдув углекислого газа осуществляется непосредственно в продуктопровод, а его растворение можно контролировать через специальную прозрачную вставку на расстоянии до 2 м от места вдува.

СО 2- тп 2,0.

1 — СС- - лхатзствр

2 — усраонашор

3 = спяжда’ощая «груба.

4 з юит^оточый ш^сф.

5 = С02 комчрогер

6 — СО} к0кпуо-, ънь.й.

7 — СО^дамч.п. расхода 3 = С02.

9 а клапан 4? ит>.аы.

10 = СОг тоЬюй.

11 — СО" «швдадЛ «ммиь } 2 — ввми’иь 13 = еыпхьиоЯ щентил.

СО зтех 5, Э г Л.

СО, М.

Рис. В.8 Схема участка карбонирования пива.

3) Процесс производства пористого шоколада и конфет на основе пористого суфле.

На рис. В.9(а) представлена схема производства пористого шоколада, в которой в продуктопровод с нагретым шоколадом осуществляется вдув воздуха, а затем с помощью специального штыревого аэратора происходит перемешивание двухфазного потока с целью создания однородной смеси с газовыми пузырьками, обеспечивающими необходимую пористость готового продукта. Подобная схема применяется и при производстве начинок на основе пористого суфле, представленная на рис.В.9(б). Для улучшения смешения компонентов фаз и снижения потерь на вязкое трение в потоки шоколадных масс добавляют специальные разжижители и ведут обработку при повышенной температуре. газет.

I Ь*> «.

II V.

— Т г I 3 н д.

И 14.

I* V.

V V а) И И И г" г-** V.

УС б).

Рис. В.9 Схемы технологических линий производства: а) пористого шоколадаб) пористого суфле.

4) Технологические схемы с теплои массообменными процессами, включающими образование паро-газовых фракций в потоке пищевых компонентов, либо в первичных теплообменных контурах.

На рис.В.10 показана схема перегонки продукта с прямым нагревом потока, а на рис.В.11 представлена схема модульной котельной с рядом теплообменников, как типового вспомогательного элемента пищевого производства, в котором нагрев теплоносителя осуществляется в баковом нагревателе, а затем нагретая вода циркулирует по замкнутому контуру, включающему нагнетательный насос, теплообменник, расширительный бачок с дыхательным трубопроводом, используемый в том числе для поддержания заданного уровня давления в системе. Нагрев питательной воды в баке может осуществляться газовыми горелками, либо электрическими нагревателями. В результате нештатных ситуаций в отдельных частях контура возможно образование парогазовой смеси из-за подкипания теплоносителя на нагревательных элементах, либо из-за гидродинамических кавитационных процессов в центробежном насосе.

Рис. В. 10. Типовая схема процесса прямой перегонки с нагревом потока.

— М/? «|Л/ л» (р! $ 51 ф? ,.

Д.

Рис. В.11 Схема типовой модульной котельной с рядом теплообменников.

5) Процессы промывки магистралей, емкостей, открытых поверхностей гидросистем пищевых производств и продуктов.

Качество пищевой продукции, надежность и долговечность гидросистем пищевых производств находятся в прямой зависимости от чистоты внутренних поверхностей этих систем, а также открытых рабочих поверхностей и исходного перерабатываемого сырья. Для качественной и надежной работы пищевого производства необходимо обеспечить неукоснительное соблюдение всех санитарных и технологических норм, связанных с режимами чистоты и дезинфекции на всех этапах пищевого производства.

Из известных способов: механического, физико-химического и гидродинамического — для очистки трубопроводов и внутренних каналов гидросистем, а также открытых рабочих поверхностей пищевых производств наиболее приемлемы гидродинамические с использованием в качестве моющей рабочей жидкости, либо активированной или нагретой воды, с введением специальных добавок и средств, [32−34].

Для этой цели на отраслевых предприятиях применяют, в основном, прокачку стационарным потоком. Скорость же движения жидкости выбирают в 1,5−2,0 раза больше рабочей скорости. Гидродинамические методы промывки основаны на динамическом воздействии потока жидкости на твердые частицы загрязнений, которые способствуют отрыву частиц от поверхности и выносу их из гидросистемы, однако это длительный процесс.

Целесообразно для повышения эффективности промывки придавать промывающему потоку пульсирующий характер. Одним из наиболее перспективных направлений является применение колебательного режима движения моющей жидкости (с переменными во времени скоростью и давлением). Источниками колебаний чаще всего служат гидромеханические генераторы колебаний жидкости или пульсаторы. Пульсаторы могут быть выполнены с дисковым или дроссельным (пробковым) прерывателем потока. Промывка пульсирующим потоком представляет собой промывку с наложением на стационарный поток жидкости периодических колебаний, направленных вдоль оси промываемого трубопровода и приводящих к возникновению резких колебаний местной скорости вблизи стенки и тем самым увеличивающих эффективность промывки. Причем интенсивность удаления частиц загрязнений зависит от величины амплитуды колебаний давления и средней и пуль-сационной составляющих скорости потока. Применение пульсирующего потока значительно сокращает время промывки по сравнению с промывкой стационарным потоком, [32,33]. Для еще большей эффективности очистки наряду с использованием пульсаций можно использовать явление кавитации, а также газожидкостные пульсирующие потоки, [34].

Кроме указанных выше, существуют и другие области пищевых производств, в которых в гидромеханических системах технологического оборудования и отдельных агрегатах может находиться двухфазная газожидкостная среда. Прежде всего, это касается новых инновационных направлений технологий пищевых производств, в которых используется ультразвуковое и сверхвысокочастотное воздействие на обрабатываемые пищевые массы с целью использовать пиковые импульсы давления, возникающие при схлопыва-нии кавитационных парогазовых пузырьков для воздействия на внутреннюю молекулярную структуру продуктов: Подобным же целям служат техноло-1 гии, использующие гидродинамические кавитационное воздействие на поток продукта при его высокоскоростном продавливании через специальные роторные аппараты. При этом следует учитывать, что образующаяся парогазовая эмульсияимеет высокую степень устойчивости и может сохраняться продолжительное время после выхода потока из кавитационной зоны или зоны ультразвуковой обработки. Для повышению эффективности массообмена между жидкой и газовой фазой при их течении в виде пузырьковой смеси служат аппараты ПАПТ с организацией потока по пространственно периодическим каналам в виде диффузоров и конфузоров, [24].

Имеющиеся исследования по описанию процессов с учетом наличия в потоке жидкого компонента свободной газовой фазы направлены на углубленное решение общих и частных задач теплои массообмена, кинетики и динамики развития двухфазных смесей разной структуры, кавитационных явлений, а также особенностей течений двухфазных потоков в сепараторах, теплообменниках, эрлифтных установках, насосах, эжекторах, форсунках, других агрегатах и элементах гидросистем пищевого производства.

I.

Среди задач, требующих дополнительного исследования, можно указать задачи собственно формирования двухфазного потока при естественном выделении из насыщенного раствора или в результате тепло-массобменных процессов, а также при непосредственном вдуве газа в поток капельной жидкости. Более подробного учета заслуживает влияние неоднородного распределенияобъемного газосодержания смеси, нивелирного уровня среднего давления и переменности температуры потока по продольной координате гидролинии на динамические свойства гидросистемы. Отдельного рассмотрения требуют вопросы динамики гидросистем при наличии в потоке ограниченной искусственной газовой каверны, из-за их широкого использования для целей интенсификации технологических процессов.

Достоверность определения динамических характеристик гидросистем самым существенным образом зависит от представительности и адекватности используемых математических моделей. При этом значительное количество коэффициентов и констант, входящих в математическое описание отдельных элементов гидросистем, а также гидравлических характеристик устройств и агрегатов, свойств потока, влияющих на динамические характеристики, либо имеют неопределенный диапазон применимости, либо задаются приближенно, либо могут быть найдены только по результатам специальных экспериментальных исследований. В частности, пищевые массы, в отличие от рабочих жидкостей протекающих в гидросистемах других производств, характеризуются большим разнообразием и неопределенностью свойств. Их характеризует многокомпонентность и многофазовость состава, а также непрерывно происходящие теплои массообменные процессы при движения потока по гидросистеме. Существующие математические модели не дают пока однозначного ответа на многие вопросы кинетики и динамики взаимодействия компонентов пищевых масс в процессе их обработки со сложным ком-плесом физико-химических, биохимических и микробиологических процес1 I сов, а потому и в задачах динамики потоков в гидросистемах пищевых производств свойства их отражаются с большой степенью приближенности.

Все это определяет необходимость решения задачи настройки проектных параметров математической модели объекта по данным собственных динамических характеристик, получаемых, например, по данным мониторинга частотных спектров ГС. Такая задача может быть сформулирована как обратная спектральная задача, решение которой основывается на методах глобальной оптимизации. Для настройки проектных параметров гидромеханических систем необходимо решать обратную задачу восстановления значений управляющих переменных по данным натурных значений динамических характеристик. Так как информация о формах колебаний объекта зачастую отсутствует или является существенно неполной, для практических целей можно использовать данные расчета спектра собственных частот колебаний системы. Задача в данном случае ставится как обратная спектральная задача, связанная с поиском вектора переменных управления, при котором первые N собственных частот модели должны совпадать с составляющими некоторого заданного (экспериментально полученного) ограниченного спектра или близки к ним, [35−39].

Для целей оптимизации гидросистем по частотным характеристикам, на основе сформулированного выше алгоритма, необходимо, например, решить задачу максимизации первой собственной частоты, реализовать удовлетворение условиям отсутствия совпадения частот внешних возмущений во всем диапазоне их существования с собственными (контурными) частотами системы, либо, наоборот, «настроить» систему на резонанс.

На основе того же подхода могут решаться задачи диагностирования гидросистем пищевого производства в части идентификации состояния потока пищевых масс по управляющим переменным, которыми могут быть параметры математической модели, непосредственно влияющие на динамические характеристики.

Следует отметить, что в обратных спектральных задачах критериальные функции в общем случае не являются всюду дифференцируемыми по переменным управления. Возможная недифференцируемость, а также многоэкс-тремальность критериальных функций обусловлены появлением кратных собственных частот и неполнотой экспериментальных данных. Как следствие, найденные решения могут оказаться локально оптимальными или наилучшими из некоторого множества локально оптимальных решений. Значительная трудоемкость решения обратных спектральных задач обусловлена их некорректностью, которая чаще всего проявляется в неустойчивости решения относительно погрешностей входных данных. Это требует применения в решении данных задач специальных регуляризирующих методов и разработки эффективных численных алгоритмов счета.

Цель работы заключается в создании научной концепции и методологии разработки математических моделей гидродинамических процессов пищевых производств, обосновании и внедрении целостной системы инновационных высокоэффективных методов, программ оптимизации и диагностирования для решения задач автоматизации.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• проведение анализа, обобщение и систематизация физических механизмов динамических процессов в ГС пищевых производств как связанных динамических системахвыбор методов и способов расчета основных динамических характеристик ГС пищевых производств и их элементов, а также исследования влияния на эти характеристики физических свойств и структуры потоков в гидролиниях ГС;

• научное обоснование и учет влияния разных форм продольного неоднородного распределения сжимаемости рабочих жидкостей в гидролиниях пищевых производств, как основного связующего звена ГС, на динамические характеристики: значения собственных частот и форм колебаний, амплитуднои фазочастотные характеристики, другие особенности нестационарных волновых процессов, в том числе с учетом двухфазности потока;

• разработка методологических основ создания математических моделей, алгоритмов и проведение экспериментальных исследований с анализом динамики пульсационных течений в гидролиниях с ограниченной искусственной газовой каверной для использования их в технологиях пищевых производств;

• разработку и обоснование гибридных методов глобальной оптимизации с целью решения задач настройки проектных параметров модели, оптимизации и диагностирования гидромеханических систем пищевых производств по их динамическим характеристикам;

• создание алгоритмов и методов численного расчета математических моделей и программ оптимизации и диагностирования;

• проведение экспериментальных исследований на гидродинамическом стенде, направленных на проверку адекватности разработанных математических моделей;

• проведение модельной отработки способов и алгоритмов создания пульсирующих потоков на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны для их использования в технологиях пищевых производств;

• создание модельных схем автоматизации технологических процессов на основе разработанных моделей и алгоритмов гидродинамических процессов.

Цель и задачи диссертации потребовали создания и реализации научной концепции, которая заключается в разработке методологии системного анализа, позволяющего вскрыть общие физические закономерности и особенности функционирования гидромеханических систем пищевых производств как единой динамической системы — объекта автоматизации, а также оптимизации и диагностирования по изменению динамических характеристик. I 1.

10. Результаты работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» для студентов специальности 220 301 — «Автоматизация технологических процессов и производств».

Предложенные в работе методологические подходы являются общими и могут использоваться при решении подобных задач для гидромеханических систем производств в химической, энергетической, отраслях промышленности и жилищнокоммунальном хозяйстве.

В заключении автор выражает глубокую благодарность научному консультанту — Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Маргарите Михаиловне Благовещенской и руководителю ведущей школы РФ по динамике механических и гидромеханических систем — академику РАН Константину Сергеевичу Колесникову за поддержку и внимание к работе, а также к.т.н.

Сергею Николаевичу Курочкину и Евгению Александровичу.

Данилову за помощь в проведении экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

Возрастающая энергонапряженность применяемого оборудования и режимов обработки пищевых масс, включение в существующую схему производства новых, автономно разработанных и действующих независимо систем и агрегатов, внедрение автоматизированных систем контроля и управления производством требуют более глубокой проработки вопросов математического моделирования динамических процессов в ГС пищевых производств для их автоматизации, оптимизации и диагностики.

В работе представлена методология разработки математических моделей гидродинамических процессов, в основе которой лежит анализ их физических механизмов, влияющих на динамические свойства процессов, а также методы многопараметрической идентификации моделей гидродинамических процессов с использованием алгоритмов глобальной оптимизации.

Предложенный подход обеспечивает описание динамических процессов в наиболее простой форме с выделением главных их особенностей, а необходимая точность расчетов, достаточная для широкого круга инженерных приложений и решения задач автоматизации, обеспечивается настройкой проектных параметров моделей на основе гибридных методов глобальной оптимизации, сочетающих стохастические и детерминированные алгоритмы. Разработанные комплексы программ позволяют не только эффективно проводить расчет динамических характеристик ГС, но также оптимизировать и диагностировать ГС по данным спектрального мониторинга.