Оптимальные энергозатраты, основанные на совершенствовании процесса паровой стерилизации в производстве пищевых консервов. Принцип нагрева паром и регулирования температуры

В данной статье представлена информация о минимизации затрат энергии на основе энергосбережения для промышленного процесса тепловой стерилизации консервов. Предложенный апробированный способ связан с оптимальным регулированием расхода пара или горячей воды для достижения требуемой температуры процесса тепловой стерилизации. Также может быть достигнута плавная реакция и нулевая погрешность в установившемся режиме. Эффективность предложенного метода контроля была продемонстрирована на небольшом заводе по производству консервов из тунца в качестве наглядного примера. Результаты экспериментов приведены для подтверждения экономии затрат на электроэнергию и некоторых преимуществ предложенного метода.

Пищевая промышленность является следствием экстенсивного развития сельского хозяйства. Производство консервов является основной причиной роста агропромышленного комплекса в прошлом. Продукция включает фрукты и овощи, тунец, ананасы и морепродукты. Совокупный объем экспорта по этим четырем позициям в 1998 году составил 89,6 млрд (23% от всего объема экспорта готовых пищевых продуктов) [1]. После катастрофического финансового краха 1997 года существующие предприятия пищевой промышленности переживают период консолидации и модернизации производства.

Существует несколько характеристик, таких как: — Более широкое признание и необходимость соответствия мировым стандартам и практике; — Использование новых методов консервации; — Новые упаковочные материалы и технологии; — Модернизация технологических процессов; — Автоматизация производственных процессов для повышения производительности и снижения загрязнения; — повышение конкурентоспособности на международном рынке.

Минимизация затрат энергии является одной из наиболее важных задач, требующих решения [2]. Соответственно, было приложено много усилий для снижения рассеиваемой энергии в промышленном процессе [3-5]. Цель данной статьи — представить методику минимизации энергозатрат, основанную на энергосбережении в процессе промышленной стерилизации консервированных продуктов. Обычно промышленные стерилизационные автоклавы работают при постоянной температуре в течение определенного времени, а затем банки охлаждаются водой.

Соотношение времени и температуры этой процедуры может быть оптимальным при определенных условиях [6-7]. Однако целью процесса тепловой стерилизации консервов является достижение стерилизации в отношении наиболее устойчивых к повреждению микроорганизмов. Поэтому важно обеспечить стерилизацию пищевых продуктов без ущерба для их качества. В данной статье представлен апробированный метод оптимального регулирования расхода пара или горячей воды для достижения заданной температуры в автоклаве.

Предлагаемый способ управления основан на использовании справочной таблицы в сочетании с ПИД-регулятором для установки соответствующего положения открытия клапана регулирования подачи пара. Кроме того, может быть достигнута плавность срабатывания и нулевая погрешность в установившемся режиме. В качестве наглядного примера был рассмотрен небольшой завод по производству консервов из тунца. Получены экспериментальные результаты, демонстрирующие оптимальные затраты энергии на основе энергосбережения для промышленного процесса тепловой стерилизации и некоторые преимущества предлагаемого метода.

Основная концепция процесса тепловой стерилизации

При периодической стерилизации в автоклавах продукты, подлежащие стерилизации, сначала расфасовываются и герметично закрываются в жесткие, гибкие или полужесткие контейнеры, такие как металлические банки, стеклянные баночки, пакеты для реторт или пластиковые миски. Затем его помещают в паровой автоклав, большой промышленный сосуд высокого давления или варочную печь. Горизонтальный паровой автоклав широко используется на небольших и средних предприятиях по производству пищевых консервов.

Соотношение времени и температуры процесса тепловой стерилизации описывается в статье. Во время проветривания автоклав заполняют контейнерами для стерилизации, плотно закрывают дверцу автоклава, а затем воздух заменяют горячим паром под давлением для достижения температуры воды выше атмосферной. Затем, во время приготовления, консервы нагревают под давлением пара при температуре 116-121C.

Количество времени, необходимое для обработки, различно для каждого продукта, в зависимости от его кислотности, плотности и способности передавать тепло. После того, как контейнеры подвергнутся воздействию температуры стерилизации в течение достаточного времени для достижения желаемого уровня стерилизации, клапан регулирования подачи пара закрывается, и затем подается охлаждающая вода для охлаждения контейнеров и снижения давления, что завершает процесс охлаждения. Как только давление в автоклаве возвращается к атмосферному, дверцу можно открывать, и обработанные контейнеры извлекаются для маркировки, упаковки в ящики и складирования в ожидании отправки на рынок.

Условия обработки подобраны таким образом, чтобы гарантировать коммерческую стерильность продуктов, но при этом максимально сохранить их вкус и питательные свойства. Все технологические процессы должны быть одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). Кроме того, большая часть обработанных пищевых продуктов подвергается тщательному контролю с помощью системы, называемой «Анализ опасности и критическая контрольная точка» (HACCP). Система HACCP выявляет области потенциального загрязнения в процессе производства пищевых продуктов и устанавливает контрольные точки для обеспечения постоянного соблюдения максимально возможных стандартов безопасности.

Принцип регулирования температуры тепловой стерилизации

Контроль температуры важен, поскольку целью процесса стерилизации является обеспечение так называемой “коммерческой стерильности”. Рекомендуемые процессы стерилизации не предназначены для уничтожения всех микроорганизмов в консервах. Цель состоит в том, чтобы поддерживать температуру стерилизации на желаемом уровне или заданной точке при изменении расхода парообразной жидкости. Перегонный куб нагревается за счет распыления пара по трубе. Пропорциональный интегрально-производный (ПИД) регулятор используется для регулирования температуры в перегонном кубе путем регулирования положения парового клапана.

Схема контроля температуры работает следующим образом: температура и давление перегонного куба контролируются с помощью термометра (TI) и манометра (PI) соответственно. Температура перегонного куба или контролируемая величина измеряется с помощью датчика RTD (TE1). Измеренный сигнал, пропорциональный температуре, передается на контроллер (TIC), где он сравнивается с заданным значением.

Функция контроллера заключается в формировании выходного сигнала или управляемой переменной на основе погрешности или разницы между результатами измерения и заданным значением. Выходной сигнал контроллера затем подключается к приводу клапана регулирования подачи пара через преобразователь тока в давление (I/P). Функция привода клапана заключается в установке клапана в положение, пропорциональное выходному сигналу контроллера. Таким образом, расход пара зависит от положения клапана.

Предлагаемая методика

В данной статье предлагается оптимальное регулирование расхода пара во время вентиляции и приготовления пищи с помощью метода, называемого “справочной таблицей”, в сочетании с ПИД-регулятором. Метод справочной таблицы позволяет осуществлять прямое регулирование в рамках расчета требуемого значения регулируемой переменной для поддержания регулируемой переменной на заданном уровне. Если расчет выполнен правильно, регулируемая переменная должна оставаться неизменной [10].

Предлагаемый метод может быть объяснен следующим образом. Из контура регулирования температуры, сигнал измерения температуры неподвижного автоклава передается на контроллер (TIC), где он сравнивается с заданным значением (sp). Управляемая переменная (mv) генерируется контроллером на основе величины погрешности (e) или разницы между результатом измерения и заданным значением. Если величина рассчитанной погрешности превышает заданное значение (ε =±10%), то для контроля применяется метод таблицы соответствия. В противном случае регулирование температуры будет осуществляться в ПИД-режиме.

В начале периода выпуска паровой клапан должен быть открыт на 80% для экономии энергии, когда температура в автоклаве (pv) достигает желаемой температуры или заданного значения (sp), применяется метод таблицы соответствия, чтобы установить соответствующий процент открытия клапана регулирования подачи пара. После этого температуру в автоклаве во время варки регулируют с помощью режима ПИД-регулирования.

Результаты эксперимента

Эффективность предложенного способа управления процессом тепловой стерилизации была продемонстрирована на примере небольшого завода по производству консервов из тунца. Использовался экспериментальный перегонный куб, в котором используется клапан регулирования пара в равнопроцентном соотношении. Показан результат сравнения в виде круговой диаграммы между температурой, регулируемой с помощью предложенного метода, и температурой, регулируемой только с помощью ПИД-регулятора. Хорошо видно, что предложенный способ управления обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики. Были показаны основные характеристики потока, присущие различным регулирующим клапанам, которые определяются конфигурациями заглушек клапанов или патрубков сепаратора. Внутренняя характеристика расхода, определяемая как соотношение между процентным значением коэффициента расхода клапана (%Cv) и процентным значением положения клапана или хода клапана, где максимальное значение Cv составляет около 25. Проведенные эксперименты показали, что положение открытия парового клапана на 80% является оптимальным для экономии энергии без ущерба для качества продукта.

Заключение

В этой статье описывается экономия затрат на производство и расход пара при производстве пищевых консервов в автоклаве. Для экономии энергии используется оптимальный расход пара для поддержания заданной температуры. Предлагаемый способ основан на использовании справочной таблицы в сочетании с ПИД-регулятором для установки соответствующего положения клапана регулирования подачи пара. Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ позволяет уменьшить количество пара во время продувки автоклава. Кроме того, может быть достигнута плавность срабатывания и нулевая погрешность в установившемся режиме.