СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРЕ ОШПАРИВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БАРАНОЧНО-СУШЕЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
TEMPERATURE CONTROL METHOD OF STEAM-AIR MIXTURE IN SCALDING CHAMBER AT MANUFACTURE OF ROUND AND RING-SHAPED CRACKNELS

Предлагаемый способ управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания относится к области автоматизации процессов производства изделий, пищевой промышленности, предназначен для поддержания температуры пара в заданных пределах в камере ошпаривания при изготовлении бараночно-сушечных изделий и может быть использован в других областях и, в частности, в технологических процессах, в которых производится сушка движущихся изделий с использованием горячих воздушных и паровоздушных смесей.
Известны способы управления температурой паровоздушной смеси при сушке капиллярно-пористых материалов, например способы сушки макаронных изделий при их движении с постоянной скоростью и жестким ступенчатым изменением температуры по времени путем изменения подачи топлива в парогенератор (итальянские фирмы «Брайбанти» и «Паван», швейцарская фирма «Бюлер») и способы сушки макаронных изделий путем изменения скорости движения изделий в зависимости от температуры сушильного агента (патент RU на изобретение №2186500, выданный 10.08.2002. Бюл. №22). Данные способы постепенно доводят изделия до заданной влажности, например от 30 до 12 процентов.
Существенным недостатком первых из указанных способов является то, что в процессе сушки нельзя прямо измерить влажность изделия, а экспресс-контроль после выхода из сушильного агрегата требует достаточно много времени, поэтому для реального процесса становится невозможным откорректировать время сушки для массы изделий, находящихся в сушильном агрегате или уже вышедших из него, то есть эта масса фактически является браком. Второй из указанных способов неприменим для поточного производства, так как необходимо корректировать скорость перемещения изделий не только в сушильном агрегате, но и всей производственной цепочки, что неприемлемо из-за потери производительности.
В камере ошпаривания при производстве бараночно-сушечных изделий перед выпечкой требуется небольшое удаление влажности (подсушивание), которое осуществляется горячим паром заданной температуры, которая поддерживается за счет регулирования уровня воды в парогенераторах и регулирования объема подаваемого топлива (газа или электроэнергии как наиболее распространенные). Специфика операции такова, что пар не возвращается в парогенератор из камеры, а удаляется в атмосферу, то есть система является разомкнутой.
Известен способ регулирования выходной мощности электродного парогенератора в составе подогреваемой системы с возвратом конденсата (замкнутая система), реализованная в патенте RU №2140609, МПК F22B 1/30, F24H 1/20, опубл. 27.10.1999 г. Однако в нем отсутствует контроль температуры пара в системе и уровня воды в самом парогенераторе, то есть функции управления ограничены.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ с электрическим электродным парогенератором, основная реализация которого описана в патенте RU №90167 на полезную модель (опубликован 27.12.2009. Бюл. №36). Он может быть принят за прототип.
Сущность способа управления выходным параметром электрического электродного парогенератора при использовании его с камерой ошпаривания заключается в том, что контроль верхнего уровня воды осуществляют стержень-датчиком, при замыкании которого через воду на корпус обесточивают электромагнитный клапан подачи воды и электронасосный агрегат, а включение их в работу осуществляют через время, задаваемое реле времени.
Указанный способ применительно к камере ошпаривания при производстве бараночно-сушечных изделий имеет следующие недостатки:
- так как в водяном паре содержатся различные солевые и другие химические компоненты, то стержень-датчик обрастает соответствующим налетом, отчего изменяется его электрическое сопротивление, приводящее к несвоевременному отключению насоса и электромагнитного клапана, и с течением времени указанное приводит к потере функционирования системы контроля верхнего уровня воды в парогенераторе и к остановке его работы для замены стержня-датчика на новый, то есть такой способ недостаточно надежен при функционировании;
- при размыкании электрической цепи «стержень-датчик - вода - корпус» включают реле времени, по истечении заданного времени работы которого включают насос и электромагнитный клапан и начинается подкачка воды, т.е. фактически нижний уровень воды не контролируется. В этот момент времени нижний уровень воды может быть еще не достигнут или уже пройден, но в том и другом случаях это приводит к отклонению давления пара на выходе из котла от заданного, что в отдельных применениях недопустимо, то есть функциональные возможности способа парообразования ограничены;
- при регулировании температуры паровоздушной смеси в камере ошпаривания при производстве бараночно-сушечных изделий указанным способом каждые две недели останавливают производство, разбирают систему, заменяют датчики уровня воды в парогенераторе и вновь запускают систему в работу. Такие остановки, во-первых, снижают производительность всего процесса и, во-вторых, требуют дополнительных затрат на переоборудование системы;
- постепенный выход регулятора из зоны регулирования подачи воды приводит в этот период к рассогласованию измеренной температуры пара в камере ошпаривания с заданным уровнем воды в парогенераторе, что ведет к браку изделий на последующей операции их выпечки и к дополнительному перерасходу материальных и топливно-энергетических ресурсов.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении надежности системы регулирования температуры паровоздушной смеси, в снижении брака бараночно-сушечных изделий, в сокращении сроков ремонтно-профилактических работ при заданной производительности.
Решение технической задачи заключается в том, что в способе управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания при производстве бараночно-сушечных изделий, заключающемся в том, что в камеру ошпаривания с движущимися бараночно-сушечными изделиями подают паровоздушную смесь от электрического электродного парогенератора, измеряют температуру смеси в камере ошпаривания, определяют отклонение от заданной температуры и в зависимости от разности и знака разности температуры увеличивают или уменьшают подачу воды в парогенератор, в качестве парогенератора используют электрический парогенератор с установленными внутри него тремя электродами, на которые подают напряжение переменного трехфазного тока, при этом предварительно устанавливают зависимость между протекающим через электроды током и уровнем воды в парогенераторе, запоминают полученные значения тока в виде уставок и используют их для регулирования количества поступающей воды в парогенератор в процессе парообразования, причем выбор той или иной уставки в соответствующий момент времени осуществляют в зависимости от разности и знака разности между измеренной и заданной температурами паровоздушной смеси в камере ошпаривания.
Зависимость между протекающим через электроды током и уровнем воды в парогенераторе определяют из выражения:
где U - значение напряжения переменного тока, подаваемого на электроды;
э
R - электрическое сопротивление электродов;
L - расстояние между электродами парогенератора;
l - ширина электрода;
н
в
h, h - значения уровня воды соответственно у нижней и верхней границ уровня относительно нижних концов электродов;
о
ρ - удельное электрическое сопротивление воды;
н
I - значение тока через электроды для нижнего уровня воды в соответствующей уставке;
в
I - значение тока через электроды для верхнего уровня воды в соответствующей уставке.
Регулирование подачи воды в парогенератор осуществляют циклически включением электромагнитного клапана подачи воды при достижении измеряемой в электродах величины тока, заданного для нижнего уровня воды в соответствующей уставке, и выключением электромагнитного клапана подачи воды при достижении измеряемой в электродах величины тока, заданного для верхнего уровня воды в соответствующей уставке.
Выбор той или иной уставки с соответствующими токами для верхнего и нижнего уровней воды в процессе парообразования осуществляют в зависимости от величины и знака отклонения температуры в камере ошпаривания в соответствии с выражением:
где
Y(t) - текущая уставка со своим верхним и нижним значениями тока;
+
Y(t) - новая уставка с более высокими верхним и нижним значениями тока;
-
Y(t) - новая уставка с более низкими верхним и нижним значениями тока;
ко
з
з
Т, Т, ΔТ, ΔТ - соответственно измеренное значение температуры в камере ошпаривания, заданное значение температуры, разность между ними и заданное значение разности;
sign(ΔT) - знак разности между измеренным значением температуры паровоздушной смеси в камере ошпаривания и заданным значением.
Электроды выполняют в виде прямоугольных пластин и располагают их в радиальных плоскостях относительно центральной оси корпуса парогенератора, при этом плоскости располагают под углом 120 угловых градусов относительно друг друга.
Сущность предлагаемого способа управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания поясняется чертежами (фиг.1, фиг.2, фиг.3), при этом на фиг.1 приведена структурная схема системы управления, на фиг.2 - сечение В-В парогенератора 1 на фиг.1, на фиг.3 - структурная схема алгоритма управления температурой паровоздушной смеси в системе управления фиг.1.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - корпус парогенератора с герметично установленной крышкой;
2 - вода;
3 - электроды;
4 - измеритель тока;
5 - электромагнитный пускатель напряжения;
6 - камера ошпаривания;
7 - контроллер управления насосом и электромагнитным клапаном;
8 - насос;
9 - электромагнитный клапан;
10, 11 - цепи питания соответственно насосом и электромагнитным клапаном;
12 - предохранительный клапан;
13 - реле давления с электрическим контактом mn;
14 - вентиль для выпуска пара;
15 - сливной вентиль;
в
н
зн
16 - обратный клапан; h, h, h - соответственно верхний, нижний и заданный начальный уровни воды в котле;
17 - датчик измерения температуры в камере ошпаривания;
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Y, Y, … Y - токовые уставки со своими нижними Iн, Iн, … Iн и верхними Iв, Iв, … Iв значениями токов;
i
I - ток, измеренный в электродах парогенератора;
ко
з
з
Т, Т, ΔТ - соответственно измеренное значение температуры в камере ошпаривания, заданное значение и заданное значение разности между ними;
1
2
3
Э, Э, Э - электроды электродного парогенератора (фиг.2);
L - расстояние между электродами;
α=120° - угол между электродами;
0
l, l - ширина и толщина электродов соответственно;
0
r - радиус основания цилиндрического столба воды, ограниченного внутренними торцами электродов;
1
r - радиус основания цилиндрического столба воды, ограниченного внешними торцами электродов;
2
r - радиус основания цилиндрического корпуса парогенератора;
в
R- область протекания электрического тока в воде;
1
12
А-А - операции в алгоритме управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания (фиг.3), реализуемые в контроллере 7 системы управления фиг.1;
1
н
в
з
з
А - ввод в контроллер группы токовых уставок со своими нижними и верхними значениями токов I, I и значений заданных температур Т и ΔТ;
2
А - выбор текущей уставки Y(t) со своим верхним и нижним значениями токов;
3
А - включение насоса и электромагнитного клапана подачи воды;
4
i
в
5
А - сравнение текущего значения тока I через электроды с верхним значением тока I текущей уставки, если равны, то операция A;
5
A - выключение насоса и электромагнитного клапана подачи воды;
6
i
н
7
А - ожидание равенства измеренного тока I с нижним значением тока I текущей уставки, если равны, то выполняется операция A;
7
ко
A- измерение температуры пара Т в камере ошпаривания;
8
ко
з
A - вычисление разности ΔT=Т-Т;
9
з
з
3
10
А - сравнение вычисленной разности с заданной ΔТ, если |ΔТ|≤ΔТ, то переход на операцию А, если нет, то выполняется операция A;
10
11
12
3
A - определение знака разности температур sign(ΔT); если он отрицательный, то выполняется операция A, в противном случае операция А и возврат на операцию А;
11
+
А - выбор уставки Y(t)на единицу больше текущей;
12
-
А - выбор уставки Y(t) на единицу меньше текущей.
1
2
n
н
в
3
з
1
i
нi
вi
2
в
вi
4
вi
вi
5
в
н
нi
6
нi
нi
7
з
ко
з
8
9
3
6
10
11
12
3
6
н
в
н
в
+
-
Сущность способа заключается в следующем. В контроллер 7 (фиг.1) перед началом работы вводят исходные данные: токовые уставки Y, Y, … Y со своими значениями токов I, I и температур Т, ΔT (операция А на фиг.3). Затем включают напряжение ~380 V, которое через электромагнитный пускатель 5 и блок 4 поступает на электроды 3, установленные в корпусе парогенератора 1. Контроллер 7 осуществляет выбор токовой уставки (например, Y(t)) со своими значениями токов I и I (операция А на фиг.3), включает в работу насос 8 через цепь питания 10 и открывает электромагнитный клапан подачи воды 9 через цепь управления 11. В корпус парогенератора 1 начинает поступать вода через обратный клапан 16, отчего изменяется уровень воды в направлении h, увеличивая ток, протекающий через электроды 3. В этот период происходит измерение тока в измерителе 4 и сравнение с заданным I в уставке (операция А на фиг.3). При достижении тока I, что означает достижение уровня h, контроллер 7 выключает из работы насос 8 и электромагнитный клапан подачи воды 9 (операция A на фиг.3). За счет протекания электрического тока через электроды в области проводящей воды R (фиг.2) вода нагревается и испаряется, уменьшаясь в объеме в направлении h, отчего уменьшается ток, проходящий через электроды. В этот период также измеряется ток в измерителе 4, и в контроллере 7 происходит сравнение с заданным I в данной уставке (операция А на фиг.3). При достижении тока I, что означает достижение уровня h, измеряют температуру в камере ошпаривания 6 датчиком 17 (операция A на фиг.3), и в контроллере 7 вычисляют разность между заданной T и измеренной в камере ошпаривания температурой Т и сравнивают с заданным значением этой разности ΔT по модулю (операция А на фиг.3). Если разность находится в заданном допуске (операция А на фиг.3), то контроллер 7 вновь включает насос 8 и электромагнитный клапан подачи воды 9 и операции А-А повторяются. Если разность температур вышла из допуска, то с помощью контроллера 7 определяют знак разности (операция А на фиг.3), при этом если знак отрицательный, то выбирают новую уставку с номером на единицу больше Y(t), если знак положительный, то выбирают уставку с номером на единицу меньше Y(t) (операции A, А на фиг.3). После выбора новой уставки периодически выполняются операции А-А, но с новыми значениями I и I, а значит, и с новыми значениями уровня воды h и h.
8
12
Операции A-А выполняются контроллером 7 в соответствии с выражением:
н
в
Численные значения уставок с токами I и I для парогенератора с конкретными размерами определяют заранее с помощью выражений:
в
2
3
6
При этом ток через электроды котла и воду протекает только в области R (заштрихованной на фиг.2). Диаметр корпуса парогенератора (r на фиг.2) влияет только на период времени выполнения циклов подачи и испарения воды (операции А-А на фиг.3). Плоскости расположения электродов сдвинуты относительно друг друга под углом 120°, тем самым обеспечивается равномерное распределение токов через электроды, т.е. равномерное парообразование со всей поверхности воды.
Измерение тока, протекающего через электроды парогенератора с конкретными конструктивными параметрами, и использование его величины для управления насосом и электромагнитным клапаном подачи воды позволяет осуществлять саморегулирование уровня воды в парогенераторе и обходиться без каких-либо датчиков уровня, тем самым повышается надежность всей системы управления температурой в камере ошпаривания, увеличиваются сроки между ремонтно-профилактическими работами.
Установление зависимости между конкретно задаваемой температурой пара в камере ошпаривания и протекающим током в электродах конкретного электрического парогенератора позволяет осуществлять управление температурой пара через заранее рассчитанные токовые уставки путем поддержания заданного уровня подаваемой в парогенератор воды, что расширяет функциональные возможности системы управления для различных применений электрического парогенератора, в частности для камер ошпаривания при производстве различных видов бараночно-сушечных изделий.
Данный способ реализован и внедрен на поточной линии производства бараночно-сушечных изделий на предприятии ООО «Воплощение» (г.Орел) для управления температурой пара в камере ошпаривания с размерами 2700*2000*2050 мм и электрическим электродным парогенератором цилиндрической формы диаметром 300 мм и высотой 700 мм с тремя электродами размерами 300*40*10 мм. В процессе эксплуатации в течение года не потребовалось ни одного профилактического ремонта, не было нарушения ни одного технологического регламента по вине данного комплекса, а погрешность температуры пара в камере ошпаривания не превышала 0,1 градуса по Цельсию от заданной.
Таким образом, в способе решены поставленные технические задачи, определены существенные отличия, что говорит о наличии критерия новизны и критерия патентоспособности изобретения.