Способ оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов Российский патент 2025 года по МПК F26B25/22 

Изобретение относится к технике сушки в сельском хозяйстве, а именно, к способам контроля и управления процессами сушки пищевых продуктов в аппаратах, использующих конвективный метод сушки и другие типы сушилок, и может быть использовано в пищевой, химической и смежных с ними отраслях промышленности.

Известно, что овощи и фрукты, подвергаемые сушке, представляют собой капиллярно-пористые тела, состоящие из разветвленной системы микро- и макро капилляров, заполненных водой (Нестеров А.В. Промышленная сушка/ Санкт-Петербург: Лань, 2021.- С. 304.; Акулич, П.В. Расчеты сушильных и теплообменных установок / П. В. Акулич. − Минск :Беларус. наука, 2010. − 443 с. − ISBN 978-985-08-1192-9). Для таких материалов кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам. В период прогрева материала, в течение небольшого промежутка времени, влажность незначительно снижается, затем наступает период постоянной скорости сушки. При этом влажность материала интенсивно уменьшается по прямолинейному закону. Такое уменьшение влажности наблюдается до достижения первой критической влажности w_кр^с ({кг влаги/кг влажного материала} или {кг/кг}) после чего начинается период падающей скорости сушки (II период). В этом периоде уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны. В конце второго периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесной влажности. Достижение равновесной влажности w_р^с (кг/кг) означает полное прекращение дальнейшего испарения влаги из материала. Величина критической влажности не является постоянной и зависит от многих параметров даже для конкретного материала. Отмечено, критическая влажность зависит от свойств материала, от скорости сушильного агента, его температуры, влагосодержания. Значения критической влажности можно определить только экспериментально для конкретных условий сушки.

Известен способ оценки влажности материала в процессе сушки в барабанной сушильной установке, а именно способу оценки влажности барды, включающему ее последовательное перемещение в барабанной сушилке, обеспечивающему бесконтактное косвенное измерение влажности барды в реальном режиме времени по нормированным сигналам, полученным с множества датчиков, которые подают на входы обученной нейронной сети, с выхода которой получают оценку влажности барды в процессе ее сушки (патент РФ № 2766517, МПК  F26B 25/22, 2022).

Недостатками известного способа использование его в конкретной барабанной сушилке, технологии сушки и обрабатываемого продукта, высокие энергетические и эксплуатационные затраты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ автоматического управления процессом сушки пищевых продуктов в ленточной сушилке с использованием конвективного и СВЧ-энергоподвода, в котором сушку пищевых продуктов осуществляют в сушилке, при этом в процессе сушки с помощью датчиков предусматривают измерение расхода, температуры и влажности материала, поступающего в сушилку, расхода, температуры и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода сушильного агента до и после сушки, информация с которых подается на микропроцессор (патент РФ № 2444689, МПК F26B 25/22, 2012).

Недостатками известного способа являются необходимость учета основных параметров обрабатываемого материала, учет разности между программными и текущими значениями температуры, влажности обрабатываемого материала, для этого необходимо иметь информацию о влажности, температуре материала от соответствующих датчиков, высокие энергетические затраты, а также невозможность оценки и контроля процесса сушки овощей и фруктов в реальном времени.

Технической задачей предлагаемого изобретения является оценка и контроль процесса конвективной сушки овощей и фруктов в реальном времени с корректированием длительности процесса сушки.

Технический результат заключается в снижении эксплуатационных и энергетических затрат.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов, включающем измерение температуры и влажности сушильного агента до и после сушки c помощью датчиков, информация с которых подается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму устанавливает задание на температурный режим сушильного агента на входе в сушилку, согласно изобретению, процесс сушки разделяют на интервалы времени Δτi , температуру сушильного агента и длительность обработки устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала, датчиками измеряют и регистрируют температуру и влажность сушильного агента для всех интервалов времени Δτi процесса сушки, контролируют текущее значение атмосферного давления и осуществляют сбор и хранение данных температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе сушилки, при этом для всех интервалов времени Δτi данные температуры и влажности сушильного агента с датчиков передают на микропроцессор, и вводят в него функции:

- состояния материала r(t), определяющую характер состояния материала сушки по значениям температуры и влажности сушильного агента в фиксируемом интервале времени Δτi,

- характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t) для всех интервалов времени Δτi по данным температуры и влажности сушильного агента на выходе из сушилки, и

- характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t) для всех интервалов времени по данным температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе из сушилки,

- причем для всех интервалов времени Δτi состояние процесса сушки оценивают и контролируют нормируемыми функциями ρ(r,f)=||r(t)–f(t)|| и ρ(r,g)=||r(t)–g(t)||,

-далее устанавливают произвольный интервал времени Δτi сушки и устанавливают последующие интервалы времени Δτi, для которых выполняются следующие условия:

- в случае, когда расстояние между линией функции состояния материала r(t) и линией функции постоянной скорости процесса g(t) сушки увеличивается, состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией ρ(r,g),

- а в случае, когда расстояние между линией функции состояния материала r(t) и линией равновесного гигроскопичного состояния f(t) уменьшается, состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией ρ(r, f),

- задают критерии численных значений величин постоянной скорости сушки ε1 и равновесного гигроскопического состояния ε2 оценки состояния процесса сушки ρ(r,f) и ρ(r,g),

- причем, для произвольных интервалов времени процесса сушки Δτi выполняются условия ((ρ(r,f)>ε2) и (ρ(r,g)<ε1 )) или ((ρ(r,f)>ε2) и (ρ(r,g)>ε1)), или ((ρ(r,f)<ε2) и (ρ(r,g)>ε1 )),

- при этом условие ((ρ(r,f)>ε2) и (ρ(r,g)<ε1 )) отображает период постоянной скорости сушки, условие ((ρ(r,f)>ε2) и (ρ(r,g)>ε1 )) отображает период убывающей скорости сушки, а условие ((ρ(r,f)<ε2) и (ρ(r,g)>ε1 )) отображает достижение материалом сушки требуемой влажности материала, при котором осушение материала завершено.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведены экспериментальные характеристики температуры, влажности сушильного агента на входе и выходе сушилки при сушке в течение реального времени, где 1 - температура сушильного агента на входе сушильной камеры (°С), 2 - относительная влажность сушильного агента на входе в сушилку (%), 3 - температура сушильного агента на выходе из сушилки (°С), 4 - относительная влажность сушильного агента на выходе из сушилки (%), 5 - температура сушильного агента на входе в сушилку (°С) , τ – время (час:мин:сек); i - номер выборки; на фиг. 2 показана экспериментальная зависимость выходных характеристик влажности и температуры сушильного агента и описание процесса характеристической функцией состояния объекта сушки или линией тренда r= -2,5058t + 138,39 для интервала i=2; на фиг. 3 показана экспериментальная зависимость выходных характеристик влажности и температуры сушильного агента и описание процесса характеристической функцией состояния объекта сушки или линией тренда r = -3,1083t + 164,36 для интервала i=4; на фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость выходных характеристик влажности и температуры сушильного агента и описание процесса характеристической функцией состояния объекта сушки или линией тренда r = -0,2873t + 46,825 для интервала i=14; на фиг. 5 показана экспериментальная зависимость выходных характеристик влажности и температуры сушильного агента и описание процесса характеристической функцией состояния объекта сушки или линией тренда r = -0,2352t + 43,642 для интервала i=15; на фиг. 6 приведены экспериментальные зависимости влажности от температуры сушильного агента на выходе и аналитические характеристики процесса, рассчитанные по характеристическим функциям, где линия состояния материала a₂, характеристика постоянной скорости сушки b₂, характеристика равновесного состояния обрабатываемого материала c₂ для интервала i=2; на фиг. 7 приведены зависимости влажности от температуры сушильного агента на выходе и аналитические характеристики процесса, рассчитанные по характеристическим функциям, где линия состояния материала a₄, характеристика постоянной скорости сушки b₄, характеристика равновесного состояния материала c₄ для интервала i=4; на фиг. 8 приведены экспериментальные зависимости влажности от температуры сушильного агента на выходе и аналитические характеристики процесса, рассчитанные по характеристическим функциям, где линия состояния материала a₁₄, характеристика постоянной скорости сушки b₁₄, характеристика равновесного состояния материала c₁₄ для интервала i=14; на фиг. 9 приведены экспериментальные зависимости влажности от температуры сушильного агента на выходе и аналитические характеристики процесса, рассчитанные по характеристическим функциям, линия состояния материала a₁₅, характеристика постоянной скорости сушки b₁₅, характеристика равновесного состояния материала c₁₅ для интервала i=15; на фиг. 10 показана траектория процесса сушки материала.

Способ оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов включает измерение температуры и влажности сушильного агента до и после сушки c помощью датчиков. Температуру сушильного агента и длительность обработки устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала. Информация с датчиков поступает на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму устанавливает задание на температурный режим сушильного агента на входе в сушилку. Датчиками измеряют и регистрируют температуру и влажность сушильного агента для всех интервалов времени процесса сушки, контролируют текущее значение атмосферного давления и осуществляют сбор и хранение данных температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе сушилки. Для всех интервалов времени данные температуры и влажности сушильного агента, с датчиков передают на микропроцессор, и вводят в него функции состояния материала r(t), определяющую характер состояния материала сушки по значениям температуры и влажности сушильного агента в фиксируемом интервале времени, характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t) для всех интервалов времени данных температуры и влажности сушильного агента из сушилки, и характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t) для всех интервалов температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе из сушилки, причем для всех временных интервалов состояние процесса сушки оценивают и контролируют нормируемыми функциями ρ(r,f)=||r(t)–f(t)|| и ρ(r,g)=||r(t)–g(t)||. Далее для произвольного временного интервала сушки устанавливают последующие временные интервалы, для которых выполняются условия, когда расстояние между линией функции состояния материала r(t) и линией функции постоянной скорости процесса g(t) сушки увеличивается, что оценивают нормируемой функцией ρ(r,g). При условии, когда расстояние между линией функцией состояния материала r(t) и линией равновесного гигроскопичного состояния f(t) уменьшается, оценивают нормируемой функцией ρ(r, f). Устанавливают численные значения величин постоянной скорости сушки ε₁ и равновесного гигроскопического состояния ε₂ оценки процесса сушки ρ(r,f) и ρ(r,g), для произвольных временных интервалов процесса сушки Δτ_i, При соблюдется одного из условий ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)<ε₁ )) или ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁)), или ((ρ(r,f)<ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁ )). Условие ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)<ε₁ )) отображает период постоянной скорости сушки. Условие ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁ )) отображает период убывающей скорости сушки. А условие ((ρ(r,f)<ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁ )) отображает достижение материалом сушки требуемой влажности материала или равновесного гигроскопического состояния и осушение материала завершено, а влагосодержание высушенного материала достигло требуемого значения.

Такая оценка и контроль процесса конвективной сушки овощей и фруктов в реальном времени позволяет корректировать длительность процесса сушки, снизить энергозатраты и перерасход энергии, связанный с досушкой материала или с превышением времени процесса сушки.

Способ оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов осуществляют следующим образом.

- Температуру сушильного агента и длительность обработки устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала.

- Температурный режим и время процесса конвективной сушки овощей и фруктов производят по технологии согласно установленному регламенту, приведенному в таблице 1 (https://sushilka22.ru/articles/rezhimy-sushki-ovoshchei-fruktov-miasa-trav-i-spetsii).

Таблица 1

Продукт Температура сушильного агента Время сушки Яблоки 55-70⁰С 8-12 часов Груши 55-70⁰С 15-20 часов Абрикосы 55-70⁰С 20-32 часов Виноград 35-45⁰С 12-20 часов Хурма 55-70⁰С 20-32 часов Персики и нектарины 55-70⁰С 20-32 часов Слива 55-70⁰С 20-32 часов Свекла 35-45 4-6 часов Морковь 55-70⁰С 8-14 часов Картофель 35-50 ⁰С 8-12 часов Грибы 35-45 ⁰С 3-7 часов Помидоры 55-70⁰С 20-28 часов

В режиме реального времени процесса сушки измеряют температуру t, и влажность φ сушильного агента на входе и выходе сушильной камеры, измеряют и регистрируют температуру t и влажность φ сушильного агента для всех интервалов времени i процесса сушки, контролируют текущее значение атмосферного давления Р(Па), осуществляют сбор и хранение данных температуры t, влажности φ сушильного агента на входе и выходе сушилки за соответствующий этим данным интервал времени Δτ_i.

Информация о влажности φ, температуре сушильного агента t на входе и выходе сушилки за соответствующий этим данным интервал времени Δτ_i с помощью датчиков передается на микропроцессор.

При этом определяют характеристические функции состояния объекта сушки или линии тренда текущего процесса по значениям температуры t , влажности φ сушильного агента в интервале времени Δτ_i на выходе из сушилки. Для этого каждую характеристическую функцию состояния материала сушки r(t) выражают зависимостью, аппроксимирующую значения температуры t, влажности φ сушильного агента в интервале времени Δτ_i из сушилки

r(t)=(A _i t+C _i )/100, (1)

Входящие в зависимость (1) коэффициенты A_i и C_i определяются

,

где A_i, C_i – коэффициенты аппроксимации;

j - порядковый номер значения относительной влажности и температуры, фиксируемый в i-интервале;

t- температура сушильного агента из сушилки (С⁰);

t _j, φ_j–текущие значения температуры t (С⁰) и влажности φ(%) сушильного агента на выходе из сушилки в i-интервале;

n - число данных в i-интервале.

Характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t) определяют для всех фиксируемых данных температуры t, влажности φ сушильного агента на выходе из сушилки Δτ_i -интервала времени. Для этого характеристическую функцию постоянной скорости процесса g(t) выражают зависимостями

g(t)=φ _io+D_i(t_i0–t), (2)

,

Входящие в зависимости (2) коэффициенты φ_io, t_i0 , D_i определяются

,

,

φ _i0 = (A_it_i0+C_i)/100,

где: D_i – коэффициент постоянной скорости сушки;

t- температура сушильного агента из сушилки (С⁰);

t _i0– расчетная среднее значение температуры сушильного агента на выходе из сушилки (⁰С);

φ _i0 – расчетное среднее значение влажности сушильного агента на выходе из сушилки (в долях);

x- влагосодержания воздуха (кг/кг, кг влаги, отнесенной к 1 кг абсолютно сухого воздуха);

φ- относительная влажность сушильного агента (воздух) (в долях);

t _j - –текущие значения температуры t (С⁰) сушильного агента на выходе из сушилки в i–интервале;

j - порядковый номер значений относительной влажности и температуры, фиксируемый в i-интервале;

n – число данных в i–интервале.

Характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t) выражают функциональной зависимостью от комплекса текущих параметров - атмосферного давления P(Па), температуры t и относительной влажности φ сушильного агента на входе в сушилку - t_вх и φ_вх, температуры t сушильного агента на выходе для Δτ_i -интервала времени

, (3)

,

где: x₀ - влагосодержания воздуха, поступающего в сушилку (кг/кг, кг влаги, отнесенной к 1 кг абсолютно сухого воздуха);

P – атмосферное давление (Па);

t _вх – температура сушильного агента на входе в сушилку (⁰С);

φ _вх - относительная влажность сушильного агента на входе в сушилку (в долях);

t- температура сушильного агента из сушилки (С⁰);

Характеристические функции состояния материала сушки, характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки и характеристическую функцию равновесного гигроскопического состояния процесса сушки вводят в микропроцессор.

Состояние процесса сушки для каждого интервала Δτ_i оценивают и контролируют нормированными функциями ρ(r,f)=||r(t)–f(t)|| и ρ(r,g)=||r(t)–g(t)||,

где ;;

t - температура сушильного агента из сушилки (С⁰);

t _i0 – средняя расчетная температура сушильного агента на выходе из сушилки интервала Δτ_i, (⁰С).

Δ – программное задание диапазона для температуры сушильного агента из сушилки.

Задают критерии численных значений величин постоянной скорости сушки ε₁ и равновесного гигроскопического состояния ε₂ оценки процесса сушки ρ(r,f) и ρ(r,g), что для произвольных временных интервалов процесса сушки Δτ_i выполняются условия ((ρ(r,g)<ε₁) и (ρ(r,f)>ε₂ )) или ((ρ(r,g)>ε₁) и (ρ(r,f)>ε₂)) или ((ρ(r,g)>ε₁) и (ρ(r,f)<ε₂ )), при этом условие ((ρ(r,g)<ε₁) и (ρ(r,f)>ε₂ )) отображает период постоянной скорости сушки, условие ((ρ(r,g)>ε₁) и (ρ(r,f)>ε₂ )) отображает период убывающей скорости сушки, а условие ((ρ(r,g)>ε₁) и (ρ(r,f)<ε₂ )) отображает достижение материалом сушки равновесного гигроскопического состояния и осушение материала завершено.

На фиг.1 приведена типовая зависимость экспериментальных характеристик температуры, влажности сушильного агента на входе и выходе сушильной камеры при сушке различных материалов в течение времени τ, где:

1 - температура сушильного агента в камере (⁰С), 2 - относительная влажность сушильного агента на входе в сушилку (%), 3 - температура сушильного агента на выходе из сушилки (⁰С), 4 - относительная влажность сушильного агента на выходе из сушилки (%), 5 - температура сушильного агента на входе в сушилку (⁰С).

Установлена произвольная длительность временных интервалов процесса сушки. Для любого интервала времени i с длительностью Δτ_i, например i=2. Этому интервалу соответствует зависимость относительной влажности и температуры сушильного агента на выходе из сушилки.

На фиг. 2 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям, прямая y=A_ix+C_i соответствует линии тренда и определяет характер состояния материала сушки r(t), а символьные переменные y и x отображают вхождения влажности φ(%) и температуры t(⁰С), A_i и C_i – численные значения коэффициентов зависимости для интервала времени i=2 (r(t)=-2,5058t+138,39).

На фиг. 3 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям, прямая y=A_ix+C_i соответствует линии тренда и определяет характер состояния материала сушки r(t), а символьные переменные y и x отображают вхождения влажности φ(%) и температуры t(⁰С), A_i и C_i – численные значения коэффициентов зависимости для интервала времени i=4 (r(t)=-3,1083t+161,36).

На фиг. 4 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям, прямая y=A_ix+C_i соответствует линии тренда и определяет характер состояния материала сушки r(t) , а символьные переменные y и x отображают вхождения влажности φ(%) и температуры t(⁰С), A_i и C_i – численные значения коэффициентов зависимости для интервала времени i=14 (r(t)=-0,2873+46,825).

На фиг. 5 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям, прямая y=A_ix+C_i соответствует линии тренда и определяет характер состояния материала сушки r(t) , а символьные переменные y и x отображают вхождения влажности φ(%) и температуры t(⁰С), A_i и C_i – численные значения коэффициентов зависимости для интервала времени i=15 (r(t)=-0,2352t+43,642).

Фигуры 6-9 отображают характер течения процесса сушки во времени.

На фиг. 6 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям температуры и влажности на выходе. Линия a₂ определяет характер состояния материала сушки r(t), линия b₂ определяет характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t), линия c₂ определяет характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t).

На фиг. 7 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям температуры и влажности на выходе. Линия a₄ определяет характер состояния материала сушки r(t), линия b₄ определяет характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t), линия c₄ определяет характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t).

На фиг. 8 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям температуры и влажности на выходе. Линия a₁₄ определяет характер состояния материала сушки r(t), линия b₁₄ определяет характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t), линия c₁₄ определяет характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t).

На фиг. 9 точки на графике соответствуют регистрируемым значениям температуры и влажности на выходе. Линия a₁₅ определяет характер состояния материала сушки r(t), линия b₁₅ определяет характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t), линия c₁₅ определяет характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t).

На фиг. 10 показана траектория процесса конвективной сушки материала в пространстве координат нормируемых характеристических функции {ρ(r,f), ρ(r,g)}. Стрелки на графике показывают направление течения процесса сушки материала.

В микропроцессор вводят характеристическую функцию состояния материала r(t) (1) и соотношения, определяющие значения коэффициентов, входящих в функцию r(t). Для всех интервалов i по данным температуры t, влажности φ сушильного агента на выходе из сушилки определяются значения этих коэффициентов (фиг.2-5).

Вводят характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t) и соотношения, определяющие значения коэффициентов, входящих в функцию g(t). Для всех интервалов i по данным температуры t, влажности φ сушильного агента на выходе из сушилки определяют значения этих коэффициентов (фиг. 6-9).

Также вводят характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t), по интервалам i данным температуры t, влажности φ сушильного агента на выходе из сушилки и температуры t и влажности φ сушильного агента на входе сушилки, регистрируемых в i интервале определяют характер изменения функции f(t) в i- интервале.

Сравнительный анализ графиков (фиг.6 - 9) показывает, что расстояние между линией состояния материала сушки a_i и линией постоянной скорости процесса сушки b_i увеличивается, что оценивается нормируемой функцией ρ(r,g) (фиг.10), а расстояние между линией состояния материала сушки a_i и линией равновесного гигроскопичного состояния c_i уменьшается, что оценивается нормируемой функцией ρ(r,f) (фиг.10). Теоретически линия состояния материала сушки (линия тренда) a_i должна совпадать с линией равновесного гигроскопичного состояния c_i, при этом ρ(r,f)→0. Существует однозначное соответствие между влагосодержанием материала w и оценкой ρ(r,g). Существует численное значение ρ(r,f)= ε₂, характеризующее достижением материала требуемой влажности. Значение параметра ε₂ может варьироваться для разных условий конвективной сушки в зависимости от многих параметров (материал, условия подготовки материала и др.). Для конкретных типовых условий он определяется опытным путем, а затем это значение параметра ε₂ вводится в программу микропроцессорного управления.

Значения численных величин параметров ε₁ и ε₂ определяются в процессе предварительной сушки исходного материала для конкретной технологии и конструкции конвективной сушилки. На стадии наладки системы, микропроцессор в режиме текущего времени τ и заданного интервала времени Δτ определяет значения нормируемых функций ρ(r,f) и ρ(r,g) для каждого интервала i. Микропроцессор проводит оценку величины параметров ε₁ и ε₂, устанавливая временные интервалы Δτ_{i +kmin} с индексами i+k_min, что для всех временных интервалов Δτ_i и Δτ_{i +к} при k_min≤k выполняется ρ(r,f)_i>ρ(r,f)_i+k и ρ(r,g)_i<ρ(r,g)_i+k, при этом определяется выполнимость условий для произвольных временных интервалов процесса Δτ_i - ((ρ(r,f)<ε₁) и (ρ(r,g)>ε₂ )) или ((ρ(r,f)>ε₁) и (ρ(r,g)>ε₂)), или ((ρ(r,f)>ε₁) и (ρ(r,g)<ε₂ )), при этом условие ((ρ(r,f)<ε₁) и (ρ(r,g)>ε₂ )) отображает период постоянной скорости сушки, условие ((ρ(r,f)>ε₁) и (ρ(r,g)>ε₂ )) отображает период убывающей скорости сушки. Проводят оценку влажности материала на заключительном этапе сушки. Для этого на фрагменте материла сушки производится определение содержание влаги с помощью лабораторного оборудования – анализаторов влажности, или по арбитражным методикам. Если влажность материала больше требуемого значения, то производят коррекцию величины ε₂ в сторону уменьшения, т.е. устанавливают соответствие между требуемой величиной влажности материала w и параметром ε₂. Скорректированное значение ε₂ вводится в микропроцессор. При этом условие ((ρ(r,g)>ε₁) и (ρ(r,f)<ε₂ )) отображает достижение материалом сушки требуемой влажности материала. В дальнейшем процесс сушки проходит без участия оператора.

Пример выполнения способа оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов.

Проводили эксперимент по оценки и контролю процесса конвективной сушки яблок.

Температуру сушильного агента устанавливали 55-70⁰С, длительность обработки - 8-12 часов (таблица 1).

Измеряли температуру и относительную влажность сушильного агента (воздух), поступающего в сушилку, температуру и относительную влажность сушильного агента после сушки с помощью датчиков, информацию с которых отправляли в микропроцессор, проводили контроль атмосферного давления. В расчетных выражениях атмосферное давление P = 99300 Па, диапазон варьирование температуры t сушильного агента на выходе из сушилки принимался Δ=0,3⁰С.

В течение реального времени процесса проводили произвольную выборку из массива информационных данных. Количество и частота выборок из массива отображено на фиг. 1. Характеристики выходных параметров температуры и относительной влажности сушильного агента для текущего момента времени отображались линейной зависимостью (линия тренда) y=A_ix+C_i, а символьные переменные y и x отображают вхождения влажности φ(%) и температуры t(⁰С), A_i и C_i – численные значения коэффициентов зависимости для соответствующего i интервала времени, показаны на фиг. 2-5.

Оценку состояния текущего процесса сушки осуществляют в результате произвольной выборки из массива данных для временных интервалов c индексами i {2,4,14,15}.

Результат приведен на фиг. 6 - 9, где показаны экспериментальные зависимости влажности и температуры сушильного агента на выходе из сушилки и характеристики процесса.

Состояние текущего процесса сушки и его направленность оценивают количественной мерой или расстоянием между функциями – линией тренда и аналитической линией для фазы постоянной скорости сушки ρ(r,g), линией тренда и зависимостью равновесного гигроскопического состояния материала ρ(r,f). Результаты расчета приведены в таблице 2, а на фиг. 10 показана траектория процесса с расчетными значениями расстояния относительно характеристической функции состояния материала сушки r(t) и характеристической функции постоянной скорости процесса сушки g(t) - ρ(r,g)= ,

характеристической функции состояния материала сушки r(t) и характеристической функцией равновесного гигроскопичного состояния f(t)- ρ(r,f)=.

Таблица 2

Параметр
parameter Номер выборки i
Sample number i 2 4 14 15 ρ(r,g) 5,225∙10^-8 9,19∙10^-7 0,002 1,523 ρ(r,f) 0,204 0,202 0,139 0,092

На основании полученных соотношений, траектория процесса, приведенной на фиг.8, отображает характер течения сушки. Временные интервалы с индексами Δτ(i₂) - Δτ(i₁₄) соответствуют периоду постоянной скорости сушки. Начиная c τ(i₁₄) интервала времени, характер процесса изменяется и переходит в период убывающей скорости сушки. Траектория процесса отображает приближение к конечному состоянию по содержанию влаги в яблоках. При этом ρ(r,g)₂<ρ(r,g)₄<ρ(r,g)_14<>ρ(r,g)₁₅, а ρ(r,f)₂>ρ(r,f)₄>ρ(r,f)₁₄>ρ(r,f)₁₅ ,

где ρ(r,g) – численные нормируемые значения функций r(t) и g(t) для интервалов i=2, i=4, i=14, i=15 (таблица 2) ;

ρ(r,f) – численные нормируемые значения функций r(t) и f(t) для интервалов i=2, i=4, i=14, i=15 (таблица 2) ;

r(t)- характеристическая функция состояния объекта сушки или линии тренда текущего процесса для интервалов i=2, i=4, i=14, i=15 (фиг. 2-5, фиг. 6-9);

g(t)- характеристическая функция постоянной скорости процесса для интервалов i=2, i=4, i=14, i=15 (фиг. 6-9);

f(t)- характеристическая функция равновесного гигроскопичного состояния для интервалов i=2, i=4, i=14, i=15 (фиг. 6-9).

Для интервалов i₁ –i₁₄ выполняются условия ((ρ(r,g)< 0,002) и (ρ(r,f)>0,092)) при ε₁=0,002 и ε₂ = 0,092; для интервалов i₁₄-i₁₅ выполняются условия ((ρ(r,g)> 0,002) и (ρ(r,f)>0,092)) при ε₁=0,002 и ε₂ = 0,092; для интервалов i₁₅ - i_15+k выполняются условия ((ρ(r,g)> 0,002) и (ρ(r,f)<0,092)) при ε₁=0,002 и ε₂ = 0,092 (фиг.10).

Для произвольного временного интервала Δτ_i следующие в процессе сушки временные интервалы Δτ_kmin при k_min≤k выполняется ρ(r,f)_i>ρ(r,f)_k и ρ(r,g)_i<ρ(r,g)_k, например, i=2, k_min=2 ρ(r,g)₂<ρ(r,g)₄<ρ(r,g)₁₄<ρ(r,g)₁₅, а ρ(r,f)₂>ρ(r,f)₄>ρ(r,f)₁₄>ρ(r,f)₁₅, для i=4 k_min=10 ρ(r,g)₄>ρ(r,g)₁₄>ρ(r,g)₁₅, а ρ(r,f)₄>ρ(r,f)₁₄>ρ(r,f)₁₅ и т.д. Установлены численные значения величин ε₁ и ε₂ оценки процесса сушки ρ(r,f) и ρ(r,g), ε₁=0,002 и ε₂ = 0,092. Установленные величины ε₁ и ε₂ вводят в программу.

Технико-экономическая оценка показывает, что при использовании способа оценки и контроля процесса конвективной сушки яблок по сравнению с аналогами время сушки уменьшается до 20% за счет контроля состояния материала сушки, энергозатраты снижаются до 10% и снижаются эксплуатационные затраты.

Предлагаемый способ позволяет снизить эксплуатационные издержки связанные с дополнительным контролем влагосодержания материала сушки, снизить энергозатраты за счет снижения продолжительности процесса сушки, перерасхода энергии, связанные с до сушкой материала или с превышением времени процесса сушки.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам контроля и управления процессами сушки пищевых продуктов в аппаратах, использующих конвективный метод сушки и другие типы сушилок, и может быть использовано в пищевой, химической и смежных с ними отраслях промышленности. Способ оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов включает измерение температуры и влажности сушильного агента до и после сушки c помощью датчиков, информация с которых подается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму устанавливает задание на температурный режим сушильного агента на входе в сушилку, согласно изобретению процесс сушки разделяют на интервалы времени, температуру сушильного агента и длительность обработки устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала, датчиками измеряют и регистрируют температуру и влажность сушильного агента для всех интервалов времени процесса сушки, контролируют текущее значение атмосферного давления и осуществляют сбор и хранение данных температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе сушилки, при этом для всех интервалов времени данные температуры и влажности сушильного агента с датчиков передают на микропроцессор и вводят в него функции состояния материала сушки, характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки, характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния, причем для всех интервалов времени состояние процесса сушки оценивают и контролируют нормируемыми функциями, устанавливают произвольный интервал времени сушки и устанавливают последующие интервалы времени, в одном случае состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией, в другом случае состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией, задают критерии численных значений величин постоянной скорости сушки и равновесного гигроскопического состояния оценки состояния процесса сушки, при этом разные условия отображают период постоянной скорости сушки, или период убывающей скорости сушки, или достижение материалом сушки требуемой влажности материала, при котором осушение материала завершено. Изобретение позволяет осуществлять оценку и контроль процесса конвективной сушки. 10 ил.

Способ оценки и контроля процесса конвективной сушки овощей и фруктов, включающий измерение температуры и влажности сушильного агента до и после сушки с помощью датчиков, информация с которых подается на микропроцессор, который по заложенному в него алгоритму устанавливает задание на температурный режим сушильного агента на входе в сушилку, отличающийся тем, что процесс сушки разделяют на интервалы времени Δτi, температуру сушильного агента и длительность обработки устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала, датчиками измеряют и регистрируют температуру и влажность сушильного агента для всех интервалов времени Δτi процесса сушки, контролируют текущее значение атмосферного давления и осуществляют сбор и хранение данных температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе сушилки, при этом для всех интервалов времени Δτi данные температуры и влажности сушильного агента с датчиков передают на микропроцессор и вводят в него функции:

- функцию состояния материала r(t), определяющую характер состояния материала сушки по значениям температуры и влажности сушильного агента в фиксируемом интервале времени Δτi,

- характеристическую функцию постоянной скорости процесса сушки g(t) для всех интервалов времени Δτi по данным температуры и влажности сушильного агента на выходе из сушилки,

- характеристическую функцию равновесного гигроскопичного состояния f(t) для всех интервалов времени по данным температуры и влажности сушильного агента на входе и выходе из сушилки,

- причем для всех интервалов времени Δτi состояние процесса сушки оценивают и контролируют нормируемыми функциями ρ(r,f)=||r(t)-f(t)|| и ρ(r,g)=||r(t)-g(t)||,

- далее устанавливают произвольный интервал времени Δτi сушки и устанавливают последующие интервалы времени Δτi, для которых выполняются следующие условия:

- в случае, когда расстояние между линией функции состояния материала r(t) и линией функции постоянной скорости процесса g(t) сушки увеличивается, состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией ρ(r,g),

- а в случае, когда расстояние между линией функции состояния материала r(t) и линией равновесного гигроскопичного состояния f(t) уменьшается, состояние процесса сушки оценивают нормируемой функцией ρ(r, f),

- задают критерии численных значений величин постоянной скорости сушки ε₁ и равновесного гигроскопического состояния ε₂ оценки состояния процесса сушки ρ(r,f) и ρ(r,g),

- причем для произвольных интервалов времени процесса сушки Δτi выполняются условия ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)<ε₁)), или ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁)), или ((ρ(r,f)<ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁)),

- при этом условие ((ρ(r,f)>ε₂)) и (ρ(r,g)<ε₁)) отображает период постоянной скорости сушки, условие ((ρ(r,f)>ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁)) отображает период убывающей скорости сушки, а условие ((ρ(r,f)<ε₂) и (ρ(r,g)>ε₁)) отображает достижение материалом сушки требуемой влажности материала, при котором осушение материала завершено.