РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОМЫШЛЕННОЙ МУЛЬТИСУШИЛКИ ДЛЯ ФРУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Увеличение срока хранения плодов и овощей методом сушки является одним из старейших видов консервирования Сушка не только удлиняет сроки хранения, но и обеспечивает высокую сохраняемость качества и питательных веществ сырья. Кроме этого, при сушке масса продукта уменьшается на 75-80%, что значительно сокращает затраты при транспортировании.

Механизм переноса вещества внутри твердой фазы сложен, так как часть влаги испаряется внутри материала и перемещение ее к поверхности происходит в виде жидкости и пара одновременно за счет действия различных сил. Для жидкой фазы это капиллярные, осмотические, гравитационные, термокапиллярные и др. силы, а для паровой фазы – молярный перенос, молекулярная диффузия, бародиффузия, термодиффузия. Удельный вес потоков фаз и действующих сил зависит от большого числа факторов, включающих в себя как внутренние связанные со структурой высушиваемого тела, так и внешние – параметры процесса и свойства сушильного агента. Кроме того, соотношение потоков и сил меняется с протеканием процесса. Все это создает сложную картину переноса, не поддающуюся аналитическому расчету, основанному на количественном анализе составляющих ее процессов переноса влаги.

При конвективной сушке в период прогрева материала наблюдается сравнительно медленное удаление влаги. Затем условно выделяют период, который называется первым периодом сушки. Он соответствует удалению свободной влаги, покрывающей поверхность материала. После чего начинается удаление связанной влаги – второй период сушки. Точка, разделяющая первый и второй периоды сушки, называется критической точкой, а влажность материала, соответствующая ей – первой критической влажностью. Конечная влажность материала характеризует его равновесную влажность при данных условиях сушки [1].

Существуют различные способы сушки, однако необходимое требование ко всем способам – обеспечить высокое качество сушеного продукта при наименьших производственных затратах.

На производствах встречается большое количество различных сушилок, отличающихся как по способу подвода тепла к высушиваемому материалу, так и по конструктивному устройству и по другим признакам.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушилок: конвективные, контактные, радиационные сушилки, высокочастотные (диэлектрические) и комбинированные сушилки.

В зависимости от конструктивного устройства сушилки подразделяются на: камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцовые, сушилки с кипящим слоем и другие [1].

Камерные сушилки для фруктов с конвективным теплоподводом широко используется среди других методов сушки. При этом методе нагретый сушильный агент передает тепло высушиваемому материалу при непосредственном соприкосновении с последним, а высушиваемый материал находится в поддонах. Более высокая скорость циркуляции приводит к высокой скорости тепломассопереноса, а повышение температуры будет иметь прямое влияние на такие качественные параметры, как цвет, форма, текстура и питательные компоненты конечного продукта.

Для получения более высокого качества продукции, необходимо автоматическое управление параметрами, такими как скорость движения, температура и влажность сушильного агента. Для этого требуется надежный контроллер. Существует несколько типов контроллеров, которые используются в промышленной автоматизации. Имеется программируемый логический контроллер (ПЛК), которого предлагают различные разработчики. Но общая стоимость автоматизации на основе ПЛК очень высока и не позволяет использовать ее в небольших системах. Имееюся также микроконтроллеры, которые являются не очень дорогими и выполняют роль процессора. Они используются во многих полупромышленных проектах и ​​небольших производствах [2].

В разработанной системе мы использовали микроконтроллер ATMEGA-32, который отличается высокой производительностью и дешевизной компонента. При изучении экономичности использования электрического нагревателя и газового нагревателя было выбрано электрический нагреватель, хотя стоимость электрического нагревателя была выше, но она была более экономичной с точки зрения автоматического управления.

Цель этого исследования состояла в том, чтобы исследовать условия сушки и разработать конструкцию недорогой и энергоэффективной камерной сушилки с поддонами для фруктов.

Разработанная сушилка для фруктов представляет собой камерную сушилку периодического действия.

Поддоны имеют прямоугольную форму с размерами 40 × 40 см. Камера сушилки для фруктов имела форму туннеля и была изготовлена из нержавеющей стали площадью 0,5 × 1 × 1,5 м.

Сушилка состоит из электрического нагревателя, который необходим для нагрева сушильного агента – воздуха, электрического вентилятора, который создает принудительный поток горячего воздуха через поддоны, измерительные датчики, камеры и блока управления. Процессом сушки можно управлять. Нагретый до необходимой температуры воздух поступает в сушильную камеру и передвигается по схеме показанной на рис. 1. Температура воздуха может быть изменена регулятором температуры. Кроме того, скорость воздушного потока изменятся с помощью регулятора скорости вентиляторов и путем регулировки заслонок в конструкции сушилки. Скорость воздуха контролировалась на высоте примерно 2 см над поверхностью поддонов. Сушилка, предложенная в этом исследовании, изготавливается с шестнадцатью поддонами в каждой вагонетке, как показано на рис. 2.

Для исследований были взяты фрукты двух типов: ломтики яблок и плоды сливы.

Рис. 1. Схема циркуляции горячего воздуха между поддонами

Рис. 2. Разработанная установка для сушки фруктов

Одним из важных фактов является размер ломтиков яблока, для сохранения цветности в высушенных яблочных продуктах ломтики яблока перед сушкой необходимо обработать диоксидом серы. Для яблок среднее содержание влаги должно составлять приблизительно 22 %.

Экспериментальный материал: образцы были получены с местного рынка, вымыты и нарезаны ломтиками до желаемого размера (толщиной 8-10 мм). Затем образцы были равномерно распределены в один слой на поддонах из нержавеющей стали. Перед началом эксперимента сушилка была отрегулирована за полчаса до достижения устойчивого состояния при требуемой температуре в зависимости от выбранного плода. После подтверждения того, что состояние сушилки находится в устойчивом состоянии, поддоны были помещены в сушильную камеру. Дверь камеры была закрыта, чтобы не было выхода горячего воздуха. Температура и скорость воздуха были различными в зависимости от образца, хотя направление воздушного потока для всех образцов было перпендикулярно к плоскости поддона. Испытания проводились дважды, и для построения кривых сушки использовалось среднее отношение влажности [3,4].

Контроллер: Важным элементом интеллектуальных систем является контроллер, который позволяет определять сложные приложения, а также реализовывать практический интерфейс. Существует несколько типов контроллеров, которые используются в различных технологических процессах. Рентабельность контроллеров является важной проблемой при выборе конфигурации системы. Обычно каждая основанная на контроллере система включает в себя три модуля: сенсорная система, главный контроллер и выходы.

Кроме того, чтобы создать интеллектуальную систему, нам нужно записывать системные события как регистратор данных.

Существуют разные режимы сушки для разных фруктов. Каждый фрукт имеет собственную продолжительность сушки и контрольную таблицу. Таким образом, для получения многопрофильной системы требуется гибкий интерфейс для импорта разных сушильных режимов. Таблицы включают управляющие сигналы во временных интервалах. Далее будут рассмотрены модули предлагаемого контроллера. На рис. 3 показаны пять важных модулей этой системы [4,5].

Рис. 3. Важные модули предлагаемого блока управления процессом

Сенсорная система: датчики играют важную роль в системах контроля окружающей среды. Достижение подходящей системы и поддающегося процессу будет невозможно без достаточного восприятия физической среды. Датчики являются общими компонентами для преобразования физических характеристик в электрические значения.

В сушильных установках используются два типа датчиков для регистрации влажности и температуры камеры. На самом деле управление процессом сушки – это, не более чем надлежащий контроль влажности и температуры материалов в соответствии с их свойствами. Правильное управление процессом приводит к лучшему продукту без дополнительных изменений в форме, цвете и вкусе.

В оборудовании пищевой промышленности используются, в основном, два типа датчика температуры для расчета относительной влажности в разных ситуациях. При этом один из датчиков находится в мокрой колбе, а другой – в сухой колбе. Температура влажной колбы – эта температура, которая указывается с помощью мокрого термометра, находящейся под воздействием воздушного потока (4,6 м/с). Температура сухой колбы относится к температуре окружающего воздуха. Она называется «Сухая колба», потому что температура воздуха указывается термометром, на который не влияет влажность воздуха. В нашей сушилке этот метод использовался для расчета относительной влажности в камере. В некоторых частях камеры были установлены дополнительные датчики влажности для получения средней влажности в камере [2,6].

Выходы датчиков являются аналоговыми уровнями напряжения, поэтому необходимо преобразовать их в цифровое значение для блока обработки сигнала.

Используются шестнадцать температурных датчиков, которые размещены на поверхности каждого поддона. Три датчика температуры расположены на нижнем, среднем и верхнем уровнях камеры как датчики мокрой колбы. Используя разные уровни датчика, мы можем одновременно контролировать состояние всей камеры, чтобы выбрать подходящий контроль. Выходы датчиков преобразуются в 10-битные цифровые значения, которые находятся в диапазоне от 0 до 1023. Аналоговый мультиплексор используется из-за количества датчиков, которые больше входов преобразователя.

Следовательно, датчики подключены к входам выбираемых мультиплексоров, и контроллер может выбирать входной канал за определенный промежуток времени. Главный контроллер использует технику извлечения для сбора данных. Рис. 4 иллюстрирует сенсорную систему и ее архитектуру.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет восемь отдельных каналов, которые способны выдавать цифровое значение с интервалом менее микросекунды. Мультиплексоры дают нам возможность подключать большее количество датчиков, чем число преобразователей. Указанный вход будет выбран с использованием S0-2 для первого мультиплексора и S3-5 для второго мультиплексора. Когда для процесса захвата выбран вход, будет записано несколько преобразованных значений данного входа. Конечное цифровое значение является средним из всех захваченных значений [2,6].

Мокрый шарик, а также датчики влажности напрямую подключаются к входам АЦП. Функция усреднения используется для получения истинного ввода.

Контрольное оборудование: Выходы системы включают в себя несколько различных устройств, которые выполняют функцию контроля физического состояния системы. Выходные устройства перечислены в табл. 1. Существует несколько типов управления физическими средами.

Широко-импульсная модуляция (ШИМ), это популярный метод управления выходным напряжением, который является наилучшим подходом в управлении скоростью двигателей. Когда требуется другая скорость вентилятора, это можно выполнить с помощью ШИМ.

Принцип и среднее напряжение для плавного управления скоростью вентилятора. Мы можем иметь разные уровни скорости от 0 до 100% от максимальной скорости. Другой метод вывода управления – это двоичный сигнал, который имеет два состояния: включено или выключено. Если вентилятор управляет двоичным сигналом, мы можем включить или выключить его. Это простой сигнал управления, когда не нужны разные скорости. Реле может управлять двоичным сигналом, но для сигнала ШИМ мы не можем использовать реле в качестве драйвера. Частота ШИМ очень высока, около 1 МГц, поэтому скорость переключения реле не может ее удовлетворить. Таким образом, необходимы высокоскоростные переключатели в качестве драйвера ШИМ.

Рис. 4: Архитектура сенсорной системы и ее связи

Табл. 1. Список устройств и контроллеров

Работающий процессор имеет два отдельных канала ШИМ. Уровень выходного сигнала ШИМ контролируется с помощью внутренней переменной регистра. Следовательно, использование изменений в значении регистра и принятие нового значения в регистре ШИМ приводят к изменению скорости вентилятора или температуры.

Главный контроллер: каждая интеллектуальная система использует программируемый контроллер в качестве основного процессора. В промышленном проекте используется несколько типов процессоров, которые имеют собственные приложения в зависимости от их функций. Системы на основе ПЛК надежны и распространены в промышленной автоматизации. Микроконтроллеры – это другие недорогие процессоры, которые используются во многих исследованиях и проектах. Стоимость систем на основе ПЛК в тысячи раз дороже, чем на основе микроконтроллеров. Мощный, но экономически эффективный процессор требуется для блока управления, чтобы обеспечить надежную систему. Микроконтроллеры можно использовать в качестве основных процессоров с хорошими схемами фильтрации [6].

В предлагаемой системе микроконтроллер ATMEGA-32 является основным процессором, которым управляется вся система. Рис.5 иллюстрирует архитектуру основного контроллера.

Рис. 5. Архитектура основного контроллера

Для получения хорошего результата и разумного решения, предыдущее состояние системы является важным параметром. Различные подходы к принятию решений, такие как нечеткая логика и нейронная сеть, нуждаются в записанных данных для определения следующего статуса.

Выбранный микроконтроллер имеет внутреннюю память, которой недостаточно для сохранения целых системных событий. Таким образом, мы использовали два внешних модуля (электрическая стираемая программируемая постоянная память (EEPROM) для записи всех событий и пользовательских программ. Один из модулей используется для хранения предварительных значений датчиков и состояния системы за один период. Преобразованные значения всех датчиков в временные интервалы сохраняются в качестве базы данных в EEPROM, и некоторые алгоритмы управления могут анализировать и использовать эти значения.

Другой модуль памяти используется для сохранения пользовательских настроек и таблиц процессов сушки, которые обсуждались выше. Пользователи могут создавать свои программы в зависимости от внутренних материалов, а также они могут сохранять эти программы для будущего использования. Различные функции, такие как редактирование, удаление, определение новой программы и сравнение двух или более программ, определены как функции основного контроллера.

Другая особенность этой системы – связь с хост-ПК. Это поможет нам дистанционно отслеживать процесс сушки. Надежный последовательный интерфейс, использующий протокол EIA-232, помогает одновременно отправлять онлайн-данные. Эти данные могут быть использованы в программном обеспечение для проектирования или анализа, такое как MATLAB. Также для хост-ПК было разработано программное обеспечение на основе LabVIEW, которое позволяет удаленно управлять системой, изменять настройки, определять и считывать программы, записывать значения определенных датчиков, составлять диаграммы сушки и его таблицы. Это средство связи помогает подключаться к установке с дальних расстояний с помощью устройства MODEM или сети. Для подключения к сушилке в реальном времени требуются сеть, внешнее устройство модема и телефонная линия, поэтому одновременное управление будет легко достигнуто [2].

Яблоки высушивали при 75°С в поддонах. Толщина измеренных образцов составляла около 10 мм, а скорость воздуха составляла 1,5 м/с. Начальная влажность яблок составляла 4 ± 0,1 кг воды / кг сухого вещества, а равновесная влажность содержание составляло приблизительно 0,06 кг воды/кг сухого вещества. Отношение влажности к времени сушки для яблока при 75°C показано на рис. 6. Время сушки для достижения равновесного содержания влаги для ломтиков свежего яблока составляло более 300 минут при 75°C. Кривая показывает, что отношение влажности уменьшается в процессе сушки, кроме того, анализ кривых сушки показал, что не было постоянной скорости сушки. Интересно, что для удаления последней половины влаги потребовалось около двух третей всего времени процесса сушки. Это может быть связано с уменьшением скорости в процессе диффузии. Результаты согласуются с другими исследованиями, проведенными по сушке с другими фруктами [7].

Рис. 6. Профиль влажности яблока при сушке при 75⁰ C с расходом воздуха 1,5 м/сек

Сушка сливы – очень медленный процесс из-за природы плодов, которые покрыты восковым слоем. В этом эксперименте сливы подвергались воздействию температуры 70°С и скорости потока 1,2 м/с, а толщина образца составляла около 3 см. На рис. 7 приведены изменения влагосодержания слив со временем при 70°С и воздухе скорость 1,2 м/с. Кривые показывают, что содержание влаги уменьшается со временем сушки, кроме того, не было периода постоянной скорости.

Рис. 7. Влажность профиля сушки слив при 70⁰C и скорости воздушного потока 1,2 м/с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этом исследовании была представлена полупромышленная сушильная установка периодического действия. Эта установка была разработана как мультисушилка для фруктов, используя удобный интерфейс. Были выбраны два типа фруктов (яблоко и слива), и зарегистрированные результаты иллюстрируют гибкость этой усьановки в качестве периодической сушилки для фруктов. После нагревания до 75°С со скоростью воздушного потока 1,5 м/с ломтики яблока высушили в течение 300 мин. Для слив в 70°С и поток воздуха для сушки 1,2 м/с, требуемая сушка составляла более 3000 мин. Это различие обусловлено, например, свойствами плода, размером, начальным содержанием влаги или микроструктурой ткани плода, которая определяет эффективный коэффициент диффузии. Более того, предлагаемая система разработана на основе подходов с низкой стоимостью и низким энергопотреблением. Микроконтроллер является основным процессором этой системы, который принимает подходящее решение по отобранным образцам среды с высококачественными датчиками. Для будущих исследований мы будем использовать разработанную систему в качестве платформы для сушки и мы будем работать над различными алгоритмами обработки и поведением системы во время выполнения задачи.

1. Ivanova, D. and K. Andonov, 2001. Analytical and experimental study of combined fruit and vegetable dryer. Energy Convers. Manage., 42: 975-983. DOI: 10.1016/S0196-8904(00)00108-4
2. Javanmard, M., K.A. Abbas and F. Arvin, 2009. A microcontroller-based monitoring system for batch tea dryer. J. Agric. Sci., l: 101-106.
3. Chua, K.J. and S.K. Chou, 2003. Low-cost drying methods for developing countries. Trends Food Sci. Technol., 14: 519-528. DOI: 10.1016/j.tifs.2003.07.003
4. Cinquanta, L., M. DiMatteo and M. Esti, 2002. Physical pretreatment of plums Prunus domestica Part 2nd. Effect of the quality characteristics of different prune cultivars. J. Food Chem., 79: 233-238. DOI: 10.1016/S0308-8146(02)00138-3
5. Demirel, D. and M. Turhan, 2003. Air-drying behavior of dwarf Cavendish and gros Michel banana slices. J. Food Eng., 59: 1-11. DOI: 10.1016/S0260- 8774(02)00423-5
6. Erikson,R. W. and M. Dragan, 2001. Fundamentals of Power Electronics. 2nd Edn., Springer, London, ISBN: 0-7923-7270-0, pp: 883.
7. Desmorieux, H., C. Diallo and Y. Coulibaly, 2008. Operation simulation of a convective and semiindustrial mango dryer. J. Food Eng., 89: 119-127. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2008.04.007

Все статьи автора «Саидов Жахонгир Юнусович»