автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка системы моделирования и оптимизации термических процессов для объектов с переменным состоянием среды

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

(

БЕЗГУБОВ МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ПЕРЕМЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ СРЕДЫ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена в Московском государственном университете прикладной биотехнологии на кафедре «Высшая математика и теоретическая механика»

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор Шириков В.Ф.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Ивашкин Ю.А.

- кандидат физико-математических наук Хабеиский Б.М.

Ведущая организация: - Всероссийский научно-исследовательский

институт мясной промышленности имени В.М Горбатова РАСХН, г. Москва

Защита состоится «/¿*> » « » 2005 г. в « А/ » час. « /!' » мин. на

заседании диссертационного сове*га К 212.149.03 при Московском государственном университете прикладной биотехнологии по адресу: 109316, г. Москве, ул. Талалихина, 33, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государствен' ного университета прикладной биотехнологии.

Автореферат разослан «//_.» 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Потапов А.С.

2000>- А \&6 4&

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Все физико-химические превращения проходят с выделением или поглощением тепла. Для получения необходимого продукта используется внешний приток или отбор управляемых тепловых потоков. Физико-химические превращения протекают по стадиям с изменением свойства среды, температурных полей, ускоряющих или замедляющих процессы преобразований. Такие превращения обычно относятся к числу термических процессов.

Диапазон изменения температурных полей в среде изделия и условия необходимых превращений различны для каждого продукта. При этом отдельные химические реакции в стадиях процесса могут проходить с поглощением или выделением тепла, что отражается на изменении параметров и свойствах среды (изменение коэффициентов теплопроводности, теплообмена, температуропроводности, а также скрытой теплоты испарения, вязкости и др.).

В данной работе рассматриваются термические процессы обработки колбасных изделий с переменным состоянием среды и протекающие в диапазоне температур от 10 до 160 °С. В этих процессах для регулирования температурных полей используется влага за счет ее испарения. Источники тепла могут быть различными. В работе используется паровоздушный метод подвода тепла к изделию с учетом изменения свойств среды.

Все исследования, представленные в работе, направлены на решение проблемы увеличения объема колбасных изделий различного ассортимента и высокого качества. В свою очередь, это требует от исследователей и разработчиков решения новых задач, а именно - совершенствование традиционных методов термообработки и разработка более прогрессивных автоматизированных установок на базе математического моделирования и оптимизации технологического цикла.

В связи с изложенным рассматриваемая работа является актуальной и социально значимой.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является повышение эффективности термической обработки мясных изделий и улучшение качества готовых продуктов с использованием математического моделирования процессов.

Поставленная цель реализуется посредством решения следующих задач:

— анализ и научное обобщение существующих процессов термообработки мясопродуктов на отечественных и зарубежных установках,

— физическая постановка задачи термообработки, её формализация и декомпозиция,

— разработка методов расчёта процессов термообработки с учётом оптимизации параметров,

— разработка методов расчета начальных полей и идентификации технологических параметров, РОС. КШИЛШ ГНИЛО

— анализ теоретических расчётов пара )етро|

— сравнительный анализ и корректировка параметров математической модели с целью улучшения адекватности расчетных данных фактическим данным,

— разработка системы отображения информации о ходе технологического процесса и её архивирование.

Методы и средства исследований. В теоретической части работы использовались методы:

— теплопередачи в термокамере и мясопродуктах;

— физического и математического моделирования;

— функционального и численного анализа;

— инициализации и идентификации технологических параметров;

— автоматизированного проектирования;

— оптимизации систем с распределенными параметрами;

— сбора и обработки информации;

— проведения экспериментов;

— количественного и качественного сравнения расчётных и фактических данных.

В экспериментальной части работы использовались методы:

— вероятностные;

— статистической обработки данных.

Эксперименты проводились с помощью стандартных приборов.

Научная новизна теоретических и экспериментальных исследований заключается в следующем.

Теоретически исследован и экспериментально апробирован технологический процесс термообработки мясных изделий в термокамере с учётом изменения температуры и влажности, при минимальных их отклонениях от заданных значений.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать характеристики температурного поля, содержание влаги в мясопродуктах, потери массы изделия в процессе термообработки.

Разработана математическая модель расчёта времени и энергозатрат на термообработку с учётом их оптимизации.

Разработаны алгоритмы идентификации технологических параметров и инициализации начальных полей.

Разработана система управления в советующем режиме, оптимизирующая параметры технологического процесса.

Практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований настоящей работы могут быть использованы при определении и установлении режимов термической обработки мясопродуктов, которые позволяют сократить время полного технологического цикла на 6-8%, потери массы продукции на 0,5-1 %, энергозатраты - на 5 % без потери качества продукта.

Предложенная методика проведения технологического процесса позволяет перейти к разработке автоматизированных установок с управлением режимны-

ми параметрами, а также в автоматизированном режиме проводить инициализацию и идентификацию технологических параметров.

Разработанные методы расчёта режимных параметров позволяют моделировать технологический процесс. Используя расчётные и фактические данные возможно следить за ходом процесса и, следовательно, корректировать процесс по оценкам отклонений. Реализация указанных методов и методик позволит получить значительный экономический эффект, снизить брак продукции, повысить уровень управления процессом.

Разработанная методика расчета термопроцессов и программное обеспечение этих расчетов внедрены и приняты в эксплуатацию на ЗАО ММПЗ «Коломенское», на Подольском мясоперерабатывающем комбинате. Опытная реализация предложенной методики позволила сократить время термообработки на 13 мин.

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались на научно-технических отраслевых конференциях:

• V Международная научно-техническая конференция «Пища. Экология. Человек», Москва, 2003г.

• II Международная конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2003г.

• III Международная конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2004г.

• IV Международная конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2005г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ. Из них 5 — тезисы докладов на конференциях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 90 отечественных и зарубежных источников, 10 приложений. Работа содержит 130 страниц текста, 12 рисунков, 4 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту:

Теоретические исследования процесса термической обработки колбасных и мясных изделий на основе разработанных математических моделей.

Разработка технологических режимов термического процесса, минимально отклоняющегося от заданного с оптимизацией: оценок качества, энергозатрат, времени обработки на каждом этапе режима.

Теоретические и практические методы идентификации технологических параметров в автоматизированном режиме работы.

Результаты анализа экспериментальных данных.

Система управления, контроля и оценки качества продукции, моделирования и наблюдения за ходом технологического процесса с возможностью его корректировки.

Результаты анализа расчёта термопроцесса с использованием реальных данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении освещена проблема обеспечения населения мясопродуктами и актуальные задачи их термообработки с целью удовлетворения возрастающих требований к качеству готовых продуктов.

Сформулированы цель исследований, требования к процессу термообработки, задачи, необходимые для достижения поставленной цели.

Приводятся методы и технические средства исследований, краткое содержание основных разделов диссертационной работы. Показана научная новизна и её практическая реализация.

В первой главе проводится анализ потребности населения в мясопродуктах. Ставится задача термообработки. Рассматриваются отдельные операции технологического процесса, его особенное™. Приводятся результаты основных исследований по каждой операции в условиях изменения температуры, концентрации влажности и дыма тепловой среды.

Даётся краткий анализ существующих отечественных и зарубежных термокамер. Показаны положительные аспекты и недостатки. Приводятся управляющие параметры термокамер; средства сбора, анализа и обработки информации.

Представлен краткий обзор математических моделей, дан анализ их достоинств и недостатков. Приводятся существующие технические средства сбора, обработки и отображения информации о ходе технологического процесса. Подчёркивается необходимость в разработке математических методов, детализации процесса термообработки с автоматизированным процессом инициализации и идентификации технологических параметров.

Основные элементы анализа исследований проблем автоматизации процессов термообработки отражены в выводах к главе.

Вторая глава посвящена физической постановке задачи термообработки и требованиям, предъявляемым к технологическому процессу. Далее проводится формализация физической постановки, которая сводится к следующему.

Требуется разработать метод расчёта термического режима работы термокамеры, включая стадии: подсушки, обжарки, варки, сушки. Температурные режимы в камере задаются технологией для каждой стадии с установками по доставке в камеру паров воды при обжарке и варке, концентрации дыма на стадии копчения изделия. При этом режим работы должен рассчитываться (выбираться) с учётом выполнения следующих условий.

1. Температура в любой точке камеры должна минимально отклоняться от заданной Т3 (I) (~ГС) на множестве допустимых режимов

где /,/, 1,2 ], 1,1, 1,2 - время начала и конца (-той стадии (г=/ подсушка, /=2 обжарка, 1=3 варка, ;'=4 сушка).

2. Концентрация водяного пара Щг) в любой точке камеры должна минимально отклоняться от заданной 1У3(1) на стадиях варки, сушки (~5 % IV)

тт(Т-Т2),

(1)

з

гшп

(2)

3. Расчётные данные Т(г) и ЦГф должны удовлетворять соотношениям тепломассопереноса:

1ДТ,\У)=0, (3)

где Ь — дифференциальный оператор (уравнение баланса энергии).

4. Время термообработки должно быть минимальным:

4

mfinI>i2-',i) . (4)

J .=1

5. Расчётные данные в изделии (на поверхности Т0 (t) и в центре Т„ (t)) должны быть адекватны фактическим Тф ( 1ф)) в момент времени замера Ьф]

шт{Тф~Тп)

(5)

min (Тф-Тч)

'е {'J

6. Процент брака (разрыв оболочки изделия, перегрев поверхности) должен быть минимальным на множестве технологических процессов К:

min ks

кг е К <6>

7. Должен выполняться критерий летальности (минимизация микрофлоры)

rw'H®

dt

о

8. Время интенсивного развития микрофлоры и спор t должно быть минимальным в интервале температур 25 - 37 "С

mint

[25 °С;31 °С] (8)

9. Энергозатраты Э - должны быть минимальными на множестве допустимых режимов

min Э (9)

10. Стоимость режима (продукции) S - должна быть минимальной:

min S (10)

11. Система сбора, обработки и отображения информации должна давать возможность контролировать процесс, т.е. обеспечивать достаточную полноту и визуальное наблюдение за процессом.

12. Требования к режимам работы термокамеры не должны вносить дополнительных трудностей эксплуатационщикам.

13. Требования к нейтрализации отходов производства не должны превышать существующие.

^ = JlO

14. Цвет обрабатываемого продукта в центре батона должен бьггь близким к красному.

Задача многокритериальная с определённой оптимизацией. Выполнение условий (1) - (2) — инженерная (техническая задача), условие (5) достигается путём идентификации параметров процесса в математической модели (3).

Для выполнения критериев (1) - (10), их приоритетности и требований общая постановка задачи декомпозируется на подзадачи по технологическим стадиям так, что их определённая композиция решаегг основную задачу. Приводятся формализованные постановки подзадач.

В третьей главе выводятся аналитические формулы расчёта температурных полей в термокамере для шаровой, цилиндрической и прямоугольной форм изделий. Расчётная область состоит из области изделия Д , области пограничного слоя вокруг изделия й2, оставшейся области термокамеры £>3, в которой поддерживается заданная температура Тт (I) = Г5 (?). Предполагается, что термопроцессы в области и 02 симметричны относительно центра (шаровая форма), оси симметрии (цилиндрическая форма), плоскости симметрии (прямоугольная форма). Обобщенная математическая модель Фурье принята в виде:

^ = а>0, ^О.гбДиА, (И)

где р (г, /) — коэффициент теплопроводности, у=а ■ р - коэффициент температуропроводности, обычно аг(г,г)= М ср, р - плотность, С - коэффициент теплоёмкости. При а »р « г2 имеем шаровую форму, при а г цилинд-г г

рическую форму. Аналогичный вид имеет модель для прямоугольной формы, которая представлена в диссертации. В автореферате приводятся исследования лишь для цилиндрической и шаровой форм изделий. Краевые условия:

ЗТ

ЖО,0 —= 0 при г -а (центризделия), (12)

, (13)

где г0, - внешняя граница пограничного слоя,

М={0<г<4 О2=\г0<г<г01\ Начальные условия:

Т° = Т(г, О), ге (14)

Коэффициенты а ■ р идентифицируются в процессе расчётов температурных полей в реальном масштабе времени. Решение задачи (11-14) ищется методом «прямых». Для этого введём сеточные функции

Тт{()=Т{гт,1\ Т0(1)=Т(г0,1\ = ГДг)=Г(0,<), (15)

где г01 - граница пограничного слоя, г01=1,2-г0; г0 - расстояние от центра поверхности изделия, 1 = — • г0 > г = 0 - центр изделия.

Используя конечные разности по г, уравнение (11) и граничные условия (12), (13) аппроксимируем со вторым порядком точности по г в виде: т. д(тт-та)-с(та-тх)

Аг1

Аг1

где

(16)

а = Р

с = Р

Ч1 +Г0 Л 2

Ч5-

г0 + г,

Лг2 -(г0| +г0)

(»01 ~'"о)-(''о1 -'"о)'^

6 =

_ Аг-(г0 +>0

го-(гы-гоУ \

V 2г, у

Д г = г0-г1.

Начапьные условия (14) примут вид:

Т0=Т0°, Тх =Т°. (17)

Задача (16) - (17) сводится к одному обыкновенному дифференциальному уравнению второго порядка по времени для каждой функции Т0 (г), Т, (?). Решение задачи имеет вид:

(18)

сх1 — ос2 [ А г I

—- 7°)- (<Га'' - е"^') - Т?(сс2еа< - ар**) }, А г

где «1 и а2 корни характеристического уравнения, определяемые по формуле:

щ-аг [Аг2 '

- е-^4 + + - с!*]-

Аг

/У — Г/ Аг •>

2Дг

Показано, что ос, >0, а2> 0. Решение (15) содержит все свойства параболической задачи (16) - (17), имеет аналитический вид, включает только физические параметры, ядро содержит затухающие экспоненты, т е. легко поддается анализу. Аналогичный вид имеет решение для прямоугольной формы изделия, которое описано в диссертационной работе.

Для построения непрерывного решения по координате и времени и его отображения на дисплее используется многочлен 3-го порядка по г для ге [ (Ц] - время окончания процесса).

где сД/)- выражаются через расчётные значения Т01,Т0,Тг в момент времени г. Это позволяет реализовать пп. 3, 11 общей постановки задачи расчета термопроцесса.

Решение (18) построено при известных значениях коэффициентов а,ах,с. Однако физико-химические свойства среды изделия меняются в зависимости от температуры и скорости протекания химических реакций. От значений а, а{, с зависит температурное поле в Отсюда, для вычисления (5)

необходима идентификация этих коэффициентов.

Сверху и снизу термокамеры установлены датчики для определения температуры в камере. По разности их значений посредством равномерного обдува вентиляторами достигается д"/'<гс. Аналогично достигается равномерность концентрации влаги, дыма, избыточного давления в целях предотвращения разрыва оболочки изделий (п. 6 общей постановки задачи).

Датчики температуры ставятся на поверхность изделия и в центр оболочки, т.е. в реальном масштабе времени имеется три значения температуры

Г01,Г0,Г,. С помощью (20) определяется расчётное значение Тц.

По формуле, аналогичной (20), аппроксимируем (восстанавливаем) реальное значение Т;. В данной работе применялся метод идентификации с использованием соотношений (16) - (17):

где т;„ ,'/„', Г;' - значения температуры для / = г, при г = гт, г-г0, г - ^ соответственно. Выражение для с' получено эмпирически из результатов численных экспериментов. При наличии реальных данных используегся минимизация:

тМ=£сДО г*'

(20)

(21)

тш| Та - Тф„ |, пип| Тц -

где индекс ф относится к фактическим данным.

Критерий летальности (7) вычислялся методом трапеций

ОбД , (22)

1-0

где

Ш^Ут* если ~

Лг„ь) = \ г

О если Т й Тю;

Значение критерия (8) вычисляется алгоритмическим (программным) путём. Оптимизация по критериям (9), (10) достигается путём многократного моделирования термических режимов с учётом стоимости энергозатрат, сырья и трудозатрат.

В четвёртой главе формулы (18-22) приводятся к виду, удобному для программирования, описываются элементы информационного обеспечения, приводятся укрупнённые алгоритмы расчёта планируемого термопроцесса, алгоритмы расчёта и контроля термического режима в реальном масштабе времени, алгоритмы идентификации коэффициентов температуропроводности, а также элементы общего алгоритма функционирования.

Температура в термокамере ( е Atl представляется на временном отрезке Iе »^<-1 ] в виде кусочно-линейной зависимости:

(')=«<,, (23)

7 ч _<тч-1

„ .... .. .. . 01 *01 где а01=У01 =./„,(',-[Л аи =——-.

Тогда, формулы (18) приводятся к алгебраическому виду, что удобно для их программирования:

г ± ,Г-Л .,2, о1'1 -д,"' . д/'

+ .Г- -(о"1 +с'-')г(;-1 +с-'.Г){'-а"'+4'£'г+С'"-А/,]-А/<+ (24)

2Дг Дг 6 Аг

Соотношения (24) аппроксимируют формулы (18) с точностью

Ф?).

Если ограничиться приближением с первой степенью точности Дг( , то получим явную конечно-разностную схему счёта (упрощенная модель).

Аналогично приводятся формулы для расчёта прямоугольной формы изделий.

Для визуального наблюдения за термическим процессом и расчёта температуры в центре батона = ^(А 0 используется многочлен:

ГЬ'О^ъМ+ъМт? (25)

где сд, с2,с3 вьфажаются через г0{,г0,г{.

Для изделий прямоугольной формы формулы идентификации (21) не меняются, критерий летальности преобразуется к алгебраической форме с использованием метода трапеций приближенного интегрирования, время в критерии (8) рассчитывается алгоритмически (программным путём).

В этой же главе представлены: элементы информационного обеспечения, необходимые для расчёта термического режима, алгоритм планирования термического режима, алгоритм идентификации коэффициентов температуропроводности и элементы общего алгоритма функционирования.

Пятая глава содержит анализ численных экспериментов, выполненных для 11 примеров, включающих следующие основные элементы реального термического процесса: изменение притока тепла к поверхности изделия, изменение свойств среды в процессе физико-химических превращений. На 3-х примерах приведён анализ идентификации коэффициентов температуропроводности.

На 4-х примерах показано, что расчёты температурных полей, выполненные по полной и приближенной моделям, отличаются незначительно = 5,5 %. Их расхождение можно уменьшить за счёт подбора величин коэффициентов температуропроводности. Показано влияние температурного скачка в термокамере Г01 на температурные поля в среде изделия (элемент остывания). На рис. 1 отображены расчётные значения температур Ттк,Ток,Т}к,Тцк где к-номер примера.

В примере 5 приведены температурные поля в среде во временном разрезе (пример визуального наблюдения за ходом термического процесса).

Примеры 6-8 направлены на выявление зависимости температурных полей от скачкообразного изменения величин коэффициентов температуропроводности. Качественное соответствие согласуется с известными представлениями (рис. 2).

Количественные оценки адекватности расчётных данных фактическим достигаются за счёт идентификации коэффициентов а, а,, с (примеры 9-11, рис. 3).

В этих целях использовались расчётные данные примеров 6-8

Ток,Т1к,ке{6,7,8}, к - номер примера. По ним идентифицировались коэффициенты температуропроводности а'к, а\к, е'к. Точность идентификации для а'к, а^ не превышала 5 %, с^ «10 — 15 %, что можно считать удовлетворительным.

Реальный термический процесс является определенной композицией рассмотренных примеров. Адекватность достигается за счёт идентификации коэффициентов температуропроводности.

т,°с »

а)

¡2 И 16 1С 30 22 24

I = 10 • 1 мин.

I = 10 -«мин.

Рис. 1. Изменение температуры в изделии:

а) упрощенная модель (примеры 1,3);

б) полная модель (примеры 2,4)

cs

я s

с; l§

H

о ■л CS о о о" 1 0 сё es" 1

о •ч- о г- г-- о 0 о* 1 То

о СО оо vo 00 о о" Л ь Óv

о es ■о « о> to о о" т2 ov"

о CS vo о р То VC5 vo 1

s 00 in CS •<* о р" т о CS t

о Ov си •П СП о о р п ь *п 1

о ОС оо п- V-1 о о »1 о СП

о Ох m 00 о о" "ь 00 es"

о vo CS n гп Vi о* •I о •Ь о C-Í

о SO CS о о" », ь -ч-см"

о ■ч- СП CS CS о о" о

мин. о о и о к <

rs §

s

4

vo H

о «о 75,5 0,49 •V ь NO 71,5 0,71 h

о Tí- •ч >п* t- 00 о" ь •е- vo" оо ■Л о т* CS r-o" L гп о

о m о 43 ■Ч-" г- CS CS о" ь VC Os es" гп г-_ оо vo СП Ov r*- o" ь

о CS 00 СП t- со in р ь со о^ es" ON vT vo C* o" ь eis СП

о vo es" р" ? о es 0 ем" 1 о <ч СП vo 8 г. о CÑ г-

о о Т1- иО ■ч- о р" ^ 0 vô 1 о Ov* lo es СП гч 1 о es"

s «о о" 43 «— CS о" о СП "О «0 V, СП о p, es" ts <ñ vo гп

о оо о> оо vo ON о о" ь ó VO 00 CS о" «о en о гп см" L оо •Ч-"

о t- ON -3-" vo CS CS ""l N <3 "П СП es" «о оо ГП оо 4D es" r¡l o TI-vo"

о 43 CS CS* о Oí »n о о" N ь 00 ч- Ov" VO гп^ СП гп «о СП ем" ь VÖ vo vo*

о "О оо ГП о* vo 0 (N СП 1 т 0 06 СП 1 см оо Ov" см СП •ч-»n N o có •n

о ■ч- 43 •о со »n Об 43 "Г N о CS 0 es" 1 о т VO CS гп гп o 43 ГП

t, мин. и 0 1 и о п о < о U* о о t-ч и о m < o;

V

о ■ч- 75,51 0,78 з ró о_ 71,5 ГО го" 1 Г4 с?

о со CS vi t- Оч ЧО о" э CN Оч" 00 WO о 1-- ■ч-о ч ь «л о_

о сч чо V г- чо Vi о" ь чЬ с--* го 1—_ оо чо WO Оч о" ь оо сп

о 00 <о го" г- о о" п ь чо <N Оч in чО о оо s ь >Ь г-f-i

о о -ч-1/1 00 чо о" ь »л оГ о wo Оч" wo V0 оГ 1= <4 Ч-"

о Оч г- ЧО чо ■ч- со L л W1 00ж т" VO ЧО Оч OÍ ь wo

о оо оо оо" чо чо ?о W0 ГО Оч" ■ч- г-Оч -Ч-" ь> ó_

о Г- Оч ч© vT г- ч <3 00 ci «1 00 ci •ч- СО оо ri M ь чЬ чо"

о ЧО CS со чо vi чо о" 41 ь л ЧО го чо" го го U1 ri ч чЬ оч ЧО

о «л го о чо •ч-о, 7 ■4 о т 00 t— о" го Vi t- 7о <34 чо W0

о •ч- «о Гч! wo wo ЧО <Ч 7 N 0 СО 1 г-■ч- t-" es Vi m о* ь <4

1 , мин. и о о г и о о < о: и о г о о ^ кг < CK

На рис. 1-2 изображены расчётные значения температур ТоиЛ.Л.Л.. где к- номер примера

Шестая глава посвящена расчёту термических режимов с использованием реальных данных. Опыт расчётов показал, что на действующем производстве фактические данные, в основном, снимаются в термокамере Тф1н и в центре батона Тфч. Поэтому приняты следующие допущения:

— коэффициенты температуропроводности в среде изделия равны, изменяются только по времени £ :

«(0,0 (26)

— фактические данные аппроксимируются многочленом второго порядка

(исходя из наличия 'Л,,,, Тфч и условия симметрии ~Тф L,„ =0),

or '

т.е. рассматривались термопроцессы при выполнении условия :

Tol(t + j)>T(tl т>0 (28)

Для расчётов термопроцессов с элементами остывания необходима информация с поверхности изделия, тогда фактическое температурное поле в изделии можно аппроксимировать многочленом третьей степени (25).

В шестой главе приводятся два примера.

В примере Р1 реальные данные Тф0, измерялись с интервалом 10 мин в течение 150 мин, Т^ — с тем же дискретом с началом измерений 40 мин.

Значения Тн при г = 0, г = 10, i = 20, г = 30 мин. (при идентификации) подбирались, исходя из аппроксимации. При t = 0 полагалось, что температура среды изделия 7,(о)=15 °С. Условие (28) в окрестности t = 30 мин, t = 90 мин незначительно (на 0,5 °С) нарушалось вблизи поверхности г = г0 (ввод игольчатого датчика в центр изделия, контроль за термопроцессом), что можно считать несущественным. Термопроцесс завершался при достижении Тн =71 °С.

Процесс расчёта термического режима состоял в следующем:

1) по фактическим данным Тф01, Т4щ, г„ = 0,03 м проводилась идентификация коэффициентов температуропроводности а,а„с с исполь-зованием соотношений (21) и минимизации второго условия (5);

2) используя данные тф01 и вычисленные величины a,at,<, проводились расчёты термического режима (прямая задача);

3) проводился сравнительный анализ расчётных значений Тч с фактическими тн.

Данные расчётов представлены на рис. 4, 5. Отклонения Тн от не значительны. Абсолютная погрешность |д,Т| = | Тч - Тн\ < 0,09 "С, а относительная погрешность ¡Д,7'| /Тн< 0,22 %.

- расчётные значения

^ , V значения температур по формуле (27) О • □ фактические данные

Рис. 4. Расчётные и фактические данные примера Р1, < - / • 10

а) расчётные и фактические значения температур;

б) расчётные значения коэффициентов температуропроводности

- расчетные значения

Ф , V значения температур по формуле (27) О 1 □ фактические данные

Рис. 5. Расчётные и фактические данные примера Р2, I =/• 10 мин

а) расчётные и фактические значения температур;

б) расчётные значения коэффициентов температуропроводности

Выявлена существенная зависимость температурных полей от коэффици-

определить состояние среды изделия, возможное время завершения технологических стадий.

Время летальности (интенсивного развития микрофлоры (8)) составило 9 мин на поверхности изделия г~г0, и 24 мин в окрестности центра изделия.

В табл. 1 приведены значения абсолютной и относительной погрешностей ^7 = 7,-7^, 4 -\Т/Тфц, фактические значения

Коэффициенты температуропроводности отражают следующие процессы с поглощением (выделением) тепла: теплопередача, испарение влаги, растопле-ние жиров, химические превращения, изменение давления в изделии и т.д. Они определяются неоднозначно (глава П). Существенное влияние на потоки тепла оказывают параметры потока обдува изделий. Основная цель - адекватность расчётных данных фактическим, и она достигнута.

Детализация (фильтрация) коэффициента температуропроводности связана с усложнением уравнения баланса энергии. При наличии фактических данных с поверхности изделия можно было бы снять часть неопределенности.

Эксперименты по выбору коэффициентов температуропроводности из дискретного множества (у,, у2)е Мв ={/,, у7} показали, что характер кривых у, (4 %(() не меняется :

1) при 0<г <30 мин сохраняется «впадина». Это процесс испарения влаги с поверхности изделия и отражения тепловых потоков от поверхности изделия;

2) в окрестности ¿=30 мин сохраняется «бугор», что можно связать с процессом запекания (образования «корочки», уплотнением среды у поверхности изделия);

3) в окрестности г—70 мин также сохраняется «бугор», что обусловлено процессом растопления жиров;

4) «бугор» сохраняется и в окрестности <=120. Это объясняется интенсивным испарением в среде изделия и ростом избыточного давления (по отношению к величине давления в камере).

Эти выводы могут использоваться при формализованном определении подпроцессов термообработки в оперативном управлении термопроцессом. Заметим, что средние значения у1 и у2 между этими интервалами различны по величине.

Это может быть важным при детализации стадий термопроцесса, особенно в части анализа затрат тепловой энергии в изделии. Математическая модель содержит описание только процесса теплопередачи, но реальные данные включают все эффекты термообработки и они отражаются в коэффициентах у,, уг.

В табл. 2 приведены расчётные значения температур ТМ. ТМ вычисленные по формуле (27), и их отклонения от гф, дгг0 =Т0-Тф0, л,Г, = 7; - тф1. Оценки показывают, что соотношение (27) удовлетворительно описывает температурное поле в изделии и может использоваться для идентификации ух, у, при выполнении условия (28).

ентов температуропроводности у3(г) и

Рис. 2. Изменение температуры в изделии при различных коэффициентах температуропроводности: а) примеры 1, 6; б) примеры 1, 7: в) примеры 1,8; ( т г • 10 мин

м/с

а)

б)

) 41-10

М01В-10

7210

7 19-10

а 718-10

м2/с

717-ю"

а 7 1924-10

м2/с

7 1922 10

м/с

В)

¿4 10 '

42-10'

Э8-10 "

а м2/с

I 10

0 3 10 15

О 5 10 15

а

м2/с

9-10

'8 10 Н

■мо

О 5 10 15

Рис. 3. Ихченение коэффициентов температуропроводности во времени: а) пример 9; б) пример 10; в) пример 11 <=/•10 мин

Величины шах|л2Т0| в окрестности / = 50 мин и /=70 мин, и шах |АЭ7",| в интервале 60 < к 90 мин можно связать с нарушением условия (28). Эти отклонения незначительны и не оказывают существенного влияния на результаты расчетов термопроцесса.

Производителю предложено: незначительно изменить температурный режим термокамеры, уменьшить на 1,5 мин стадию подсушки, уменьшить на 1,5 мин стадию обжарки и на 10 мин стадию варки. При этом условие окончания термопроцесса Тн = 71 "С сохранялось.

Такой режим был рассчитан, и производитель согласился его апробировать. При этом важным аргументом, кроме точности расчётов, являлось убеждение, что процесс можно считать законченным не только при достижении Тц =71 "С, но и при стабилизации коэффициентов температуропроводности.

Данные расчётов отражены в табл. 3 и на рис. 5. Рассчитанный термопроцесс незначительно отличается от примера Р1: время окончания процесса на 13 мин меньше.

Эксперты производства отметили улучшение органолептических качеств продукции (цвета, сочности). Характер кривых уг = /,(/) не изменился по сравнению с примером Р1, но величина параметров различна.

Анализ расчетных данных и рис. 5 позволяют сделать вывод, что продолжительность термопроцесса еше можно сократить примерно на 10 мин, но при этом необходимо отслеживать условия окончания процесса =71 °С и нахождения коэффициентов температуропроводности в области допустимых значений.

В табл. 4 приведены расчётные значения Г0, г, и их отклонения от Тф01, Тф1, вычисленные по формуле (27).

Оценки, представленные в табл. 3,4, хуже, чем в примере Р1, но это расчёты прогнозируемого термопроцесса, что можно считать вполне удовлетворительным. Максимальные отклонения связаны с запланированными нарушениями условия (28).

Примеры 2, 4 главы V показывают, что в центре изделия температура некоторое время растёт при снижении Гш, т.е. Тн =71 °С может достигаться и при охлаждении термокамеры, что дает возможность сокращения времени термообработки (приведённого режима) примерно на 20 мин

В Заключении содержатся основные выводы диссертационной работы и взгляд соискателя на развитие представленного научного направления.

1.1. Включение дополнительных факторов физико-химического характера (испарение влаги в изделии и пограничном слое, диффузия частиц дыма в области поверхности изделия, топление жировых частичек в среде, расчёт потери массы изделия в ходе термического процесса).

1.2. Детализация критериев общего и оперативного управления термическим процессом.

1.3. Включение основных химических реакций (например, кристаллы углерода с водой С + Н20 в рассматриваемом температурном диапазоне и давлении Р ~ 1 атм.). Декомпозиция неоднозначна, поэтому возможны иные варианты, важно чтобы определённая композиция решала основную задачу.

2. Развитие метода расчёта температурных полей на случай расширения конечно-разностной сетки.

3. Развитие визуального отображения, связав величины температур в изделии с цветом на экране дисплея, при этом учесть те химические реакции, которые влияют на цвет среды. Это позволит формализовать критерий (14) основной задачи.

4. Декомпозиция модели пограничного слоя путём учёта обтекания потоком паро-воздушной среды изделий. При этом необходимо выявить зависимость притока тепла к изделию от направления потока.

5. Исследование температурных процессов с использованием высокочастотных эффектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе приведены выводы к каждой главе. Они определённо детализированы, дают перспективы дальнейшего научного поиска. Приведём основные результаты и выводы к работе в целом.

1. Проведена формализация постановки задачи расчёга термического режима в термокамере и дан вариант её декомпозиции.

2. Построено решение задачи расчёта температурных полей в термокамере для шаровых, цилиндрических и прямоугольных форм изделий, пригодное для аналитических исследований и численных реализаций.

3. Проведен анализ полученного решения в части эволюции начальных полей и изменений температурного поля в изделии при неизменном притоке тепла к поверхности изделия.

4. С использованием реальных данных построен метод идентификации коэффициентов температуропроводности, позволяющий рассчитывать температурные поля адекватно реальным данным в реальном масштабе времени.

5. Построена модель визуального наблюдения за ходом термического процесса с отображением параметров летальности микрофлоры в любой момент времени в любой точке изделия.

6. Построена структура информационного обеспечения и алгоритмы расчёта термического режима.

7. Приведены расчёты температурных полей на 11 примерах, удовлетворительно описывающих термический процесс, а также расчеты с использованием реальных данных.

8. Дано предложение использования структуры изменения коэффициентов температуропроводности в качестве дополнительного критерия завершения, что позволит формализовать выбор оптимального термического режима.

9. Представленный математический метод планирования и контроля термопроцесса может быть использован в существующих и вновь разрабатываемых термических установках.

10. Алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано при создании компьютерного тренажёра для повышения квалификации соответствующих специалистов и моделировании вновь разрабатываемых изделий мясопродуктов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Безгубое М.А., Шириков В.Ф., Бородин A.B. К разработке автоматизированной компьютерной диалоговой системы управления процессом тепловой обработки мясных изделий. Пища. Экология. Человек : материалы пятой международной научно-технической конференции. - М., 2003. - С. 177-178.

2. Безгубов М.А., Шириков В.Ф., Бабакин Б.С. Моделирование процессов холодильной обработки продуктов с переменным сечением. Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии : сборник научных трудов. -М.: МГУПБ, 2003. Вып. 2. - С. 28-32.

3. Безгубов М.А., Шириков В.Ф., Бабакин Б.С. Приближенное решение задачи замораживания плоских мясных изделий. Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии : сборник научных трудов. - М.: МГУПБ, 2003. Вып. 2.-С. 33-37.

4. Безгубов М.А., Шириков В.Ф., Бородин A.B. Научно-практические аспекты формирования базы знаний по процессам тепловой обработки мясопродуктов. Живые системы и биологическая безопасность населения : Материалы II Международной конференции студентов и молодых ученых. - М., 2003. - С. 154-155.

5. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Моделирование процессов термической обработки мясопродуктов прямоугольной формы. Живые системы и биологическая безопасность населения : материалы II Международной конференции студентов и молодых ученых. -М., 2003. - С. 227-228.

6. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Обобщенная математическая модель процессов термической обработки колбасных изделий. Живые системы и биологическая безопасность населения : материалы III Международной конференции студентов и молодых ученых. - М., 2004. - С. 266-268

7. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Идентификация коэффициентов теплообмена в моделях термической обработки колбасных изделий. Живые системы и биологическая безопасность населения : материалы III Международной конференции студентов и молодых ученых. - М., 2004. - С. 230-231.

8. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. К постановке задачи оптимизации процесса термообработки мясопродуктов в термокамере. Живые системы и биологическая безопасность населения : материалы IV Международной конференции студентов и молодых ученых. - М., 2005. - С. 140-141.

9. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Математическая постановка и решение задачи термической обработки мясопродуктов прямоугольной формы. Живые системы и биологическая безопасность населения : материалы IV Международной конференции студентов и молодых ученых. - М., 2005. - С. 141-143.

Подписано в печать 10 11 05 Формат 60 х84 1/16 Печать лазерная Уел печ. л. 1,5 Тираж 100 экз Заказ ООО «Полисувенир» 109316 Москва, ул Талалихина, 33 Тел 677-03-86

*22 186

РНБ Русский фонд

2006-4 18648

!

Г

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ ТЕРМООБРАБОТКИ КОЛБАСНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОКАМЕР

1.1. Задачи и методы термической обработки

1.2. Анализ существующих математических моделей термообработки

1.3. Обзор существующих универсальных установок термообработки

1.4. Анализ существующих автоматизированных систем управления процессами термообработки

Выводы к главе

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЯСОПРОДУКТОВ

2.1. Физическая постановка задачи термообработки

2.2. Формализация постановки задачи термообработки и её декомпозиция Выводы к главе

• ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЯСНЫХ ИЗДЕЛИЙ

3.1. Зоны термической обработки

3.2. Математические модели процессов термообработки мясных изделий различной формы

3.3. Математическая постановка задач термообработки мясных изделий различной формы

3.4. Решение задачи термической обработки мясных изделий

3.5. Анализ решения

3.6. Идентификация коэффициентов теплообмена

3.6.1. Идентификация коэффициентов для цилиндрической и шаровой форм изделий

3.6.2. Идентификация коэффициентов для прямоугольной формы изделий * 3.7. Вычисление критерия летальности

Выводы к главе

ГЛАВА IV. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТА ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА

4.1. Приведение расчетных формул к виду, удобному для программирования

4.2. Элементы базы данных, используемых при расчете термопроцесса

4.3. Алгоритм планирования термического режима

4.4. Алгоритм идентификации коэффициентов теплопередачи

4.5. Алгоритм расчета параметров термопроцесса в реальном масштабе времени

4.6. Общий алгоритм функционирования Выводы к главе

ГЛАВА V. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРЕМЕНТЫ И ИХ АНАЛИЗ

5.1. Цели и задачи численных экспериментов

5.2. Анализ численных экспериментов для решения прямой задачи

5.3. Анализ численных экспериментов для решения обратной задачи в Выводы к главе

ГЛАВА VI. РАСЧЕТЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕАЛЬНЫХ ДАННЫХ

6.1. Цели и задачи расчетов на фактических данных

6.2. Примеры расчётов термических процессов с использованием реальных данных

Выводы к главе Литература ЗАКЛЮЧЕНИЕ Приложение 1. Приложение 2. Приложение 3. Приложение 4. • Приложение 5. Приложение 6.

Актуальность проблемы. Для удовлетворения возрастающих потребностей рынка в мясных продуктах необходимо решить ряд задач, связанных с увеличением объемов производства мяса, с созданием условий для его хранения, а также с обеспечением технологически эффективной термической обработки мясных изделий. При этом предполагается достижение высокого качества готовых продуктов.

В этой связи одной из важнейших задач является задача увеличения объема производства колбасных изделий различного ассортимента и улучшение их качества. Для решения указанной задачи требуется совершенствование традиционных способов и разработка более прогрессивных методов производства колбасных изделий с использованием современных информационных технологий и компьютерных систем.

Одной из основных стадий процесса: производства колбасных изделий является термическая обработка, ибо она в конечном итоге формирует и определяет качество готового продукта. Термическая обработка производится в специальных технологических установках -термокамерах. Для определения научно-обоснованных режимов и методов термической обработки мясных изделий с обеспечением высокого качества готовой продукции требуется математическое описание и математическое моделирование, учитывающее изменение температуры мясного изделия при термообработке. Кроме того, математическое моделирование позволит провести оптимизацию процесса по наиболее существенным показателям. Это, в свою очередь, обеспечит эффективность производства и улучшит качество готовых продуктов. Сокращение времени переработки мясного сырья на всех этапах термической обработки без снижения качества будет способствовать решению указанной выше задачи.

Существует несколько способов создания технологически допустимых условий в термокамере. К ним можно отнести следующие: теплоизлучение, использование перегретого пара, ультразвук, использование горячей воды и др. При этом во всех случаях необходим равномерный подвод тепла ко всей поверхности обрабатываемых изделий с отклонениями не более 1°С в соответствии с требованиями технологического процесса на всех этапах термообработки. Инфракрасные и высокочастотные методы термической обработки мясных изделий требуют развития объемных методов расчета тепловых процессов. Уровень концентрации дыма на этапе обжарки и уровень концентрации влажности на этапе варки накладывают дополнительные требования к точности методов, используемых в управлении процессом. Управляющие воздействия зависят от физических параметров сырья.

Итак, оптимизация процессов термической обработки мясных изделий с помощью математического моделирования является важной и актуальной задачей.

Разработке методов решения этой задачи посвящена настоящая работа. В ней приводятся исследования отдельных стадий термообработки: подсушки, обжарки, варки и др. Учитываются также процессы испарения влаги, изменения давления пара, контроль на разрыв оболочки изделия и качество изделия.

В исследованиях применялись методы оптимизации, заключающиеся в минимизации энергетических и стоимостных затрат на продукт, в минимизации времени протекания технологического процесса при учете контроля качества продукции. Отклонения технологических параметров термообработки от их допустимых значений должны быть минимальными. Под параметрами технологического процесса понимаются следующие характеристики изделия: температура, влажность, цвет колбасы в центре изделия, показатель летальности и др.

Решение задач ведётся в рамках следующих технологических ограничений: допустимой мощности источников энергии, заданного объема термокамеры, заданного объема и состава сырья, максимального (минимального) значения температуры излучателей, максимального допустимого процента влаги, максимальных скоростей изменения температуры и влаги и т.д.

Цель работы: Целью данной работы является: повышение эффективности термической обработки мясных изделий и улучшение качества готовых продуктов при минимальных затратах.

Основные задачи исследований. Поставленная цель реализуется посредством решения следующих задач: анализ существующих процессов термообработки мясных изделий в существующих установках; физическая постановка задачи термообработки, её формализация и декомпозиция; сбор и обработка исходных данных о технологическом процессе; разработка методов расчёта процессов термообработки с учётом оптимизации; разработка методов расчета начальных полей и идентификации технологических параметров; анализ теоретических расчётов параметров процесса; разработка методики экспериментальных исследований; проведение сравнительного анализа и корректировки параметров математической модели с целью улучшения адекватности расчётных данных фактическим; уточнение методики проведения технологического процесса на существующих установках; разработка системы отображения информации о ходе технологического процесса;

Методы и средства исследований. В теоретической части работы использовались методы: теплопередачи в термокамере и мясопродуктах; физического и математического моделирования; функционального и численного анализа; инициализации и идентификации технологических параметров; автоматизированного проектирования; оптимизация систем с распределенными параметрами; сбора и обработки информации; проведения экспериментов; количественного и качественного сравнения расчётных и физических данных.

В экспериментальной части работы использовались методы: численных экспериментов. статистической обработки данных.

Научная новизна: Теоретически разработан и экспериментально апробирован технологический процесс термообработки мясных изделий в термокамере с учётом изменения параметров: температуры и влажности, минимально отклоняющихся от заданного, автоматически контролируемые системой сбора, обработки и отображения информации.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать: величины температурного поля, содержание влаги в мясопродуктах, потери массы изделия в процессе термообработки.

Разработана математическая модель расчёта времени и энергозатрат на термообработку с учётом их оптимизации при автоматизированной инициализации и идентификации технологических параметров.

Разработана система управления в советующем режиме, оптимизирующая параметры технологического процесса.

Практическая ценность работы. Теоретические и экспериментальные исследования настоящей работы имеют важное практическое значение в пищевой отрасли производства мясопродуктов. Эти исследования могут быть использованы при определении и установлении режимов термической обработки, которые позволяют сократить время полного технологического процесса на 6-8%, потери массы продукции на 0,5-1,2%, энергозатраты примерно на 5% без потери качества продукции по отношению к существующим технологиям.

Предложенная методика проведения технологического процесса даст возможность перейти к разработке автоматизированных установок с управлением параметрами режима работы и с минимальными отклонениями параметров от заданных технологически; в автоматизированном режиме проводить инициализацию и идентификацию технологических параметров.

Разработанные методы расчета режимных параметров позволяют моделировать технологический процесс, а расчетные и фактические данные позволяют следить за ходом производственного процесса и, следовательно, корректировать процесс по оценкам отклонений.

Разработанная методика расчета термопроцессов и программное обеспечение этих расчетов внедрены и приняты в эксплуатацию на ЗАО ММПЗ «Коломенское»,на Подольском мясоперерабатывающем комбинате. Опытная реализация предложенной методики позволила сократить время термообработки на 13 мин. при сохранении качества.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались на научно-технических отраслевых конференциях:

• V Международная научно-техническая конференция «Пища. Экология. Человек», Москва, 2003г.

• II Международная конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2003г.

• III Международная конференция конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2004г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 5 тезисы докладов на конференциях и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 80 отечественных и зарубежных источников, 10 приложений. Работа содержит 130 страниц текста, 12 рисунков, 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе приведены выводы к каждой главе. Они определённо детализированы, дают перспективы дальнейшего научного поиска. Приведём основные результаты и выводы к работе в целом.

1. Проведена формализация постановки задачи расчёта термического режима в термокамере и дан вариант её декомпозиции.

2. Построено решение задачи расчёта температурных полей в термокамере для шаровых, цилиндрических и прямоугольных форм изделий, пригодное для аналитических исследований и численных реализаций.

3. Построена модель визуального наблюдения за ходом термического процесса с отображением параметров летальности микрофлоры в любой момент времени в любой точке изделия.

4. Построена структура информационного обеспечения и алгоритмы расчёта термического режима.

5. Приведены расчёты температурных полей на 11 примерах, удовлетворительно описывающих термический процесс.

6. Построен метод идентификации коэффициентов температуропроводности, позволяющий рассчитывать температурные поля адекватно реальным данным в реальном масштабе времени.

7. Приведены расчёты термопроцессов с использованием реальных данных.

8. Дано предложение использовать структуру изменения коэффициентов температуропроводности в качестве дополнительного критерия завершения, что позволит формализовать выбор оптимального термического режима.

9. Представленный математический метод планирования и контроля термопроцесса может быть использован в существующих и вновь разрабатываемых термических установках.

10. Алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано при создании компьютерного тренажёра для повышения квалификации соответствующих специалистов и моделировании вновь разрабатываемых изделий мясопродуктов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представляется: взгляд соискателя на развитие изложенного направления исследований термического процесса обработки колбасных изделий, основные результаты и выводы диссертационной работы.

Взгляд на развитие исследований.

1. Физическая постановка задачи расчёта термопроцесса и её формализация не носит законченного характера. Количество критериев качества будет расти. Они должны отражать: вкусовые качества продукта, питательные (усвояемость) качества (в зависимости от климатических условий регионов и особенностей (здоровья, вкуса) групп потребителей, условия последующего хранения с учётом местных условий и т.д. В работе вычисляются лишь некоторые параметры летальности микрофлоры. Это задачи технологов пищи, но их формализация необходима при разработках автоматизированных процессов. Цель — разработка «локальных» термических установок, позволяющих реализовать термообработку изделий различного назначения. Критерии могут быть противоречивыми, поэтому необходим анализ их приоритетности (в зависимости от целевого назначения продукта).

2. Исследование задач п.1 позволит поставить задачу моделирования (численного) продуктов с наперёд заданными свойствами.

3. В постановку задачи следует ввести основные химические реакции (превращения) с учётом температурного поля изделия. Для начала следует исследовать (формализовать) процесс копчения (реакции углерода с водой С + Н20, химико-диффузионный процесс).

4. Следует формализовать процесс испарения влаги в изделии и на его поверхности. Это позволит повысить качество изделий, точнее определить их вес.

5. Модель процессов в пограничном слое следует детализировать на случай учёта направления обтекания изделий паро-воздушным потоком. Это позволит более качественно регулировать температуру поверхности изделий.

6. Следует детализировать общее (приток тепла, задвижки, вентиляторы) и оперативное (направление потоком паро-воздушной среды, концентрации влаги, дыма) управление термическим процессом и его формализацию. Это позволит уменьшить показатели брака.

7. В математическую модель следует включить давление. Это позволит формализовать условия разрыва оболочки изделия.

8. Метод решения можно детализировать за счёт расширения узлов конечно-разностной сетки, не теряя возможностей аналитических исследований.

9. Критерий качества (цвет среды изделия) следует формализовать, связав цвет среды с : цветовой гаммой дисплея, учётом химических реакций (превращений), влияющих на цвет, температурой среды.

10. Множество термических режимов следует расширить за счёт включения процессов термообработки с использованием токов высокой частоты.

11. Уже указанные выше задачи развития направления исследований позволяют разработать компьютерный тренажёр с целью обучения студентов и повышения качества специалистов.

1. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. Москва. М., Машиностроение, 1988, 270 с.

2. Бабанов Г.К. Рубаник В. Мыслович О. Определение теплофизических характеристик мясного фарша. Мясная индустрия СССР, 1965, №4, с.30-32.

3. Бакулина Н.А., Краева Э.Л. Микробиология. М., «Медицина», 1976, 424 с.

4. Барпов Г., Глушко В., Городисская В. и др. Использование токов промышленной частоты для термической обработки мясных фаршей. Мясная индустрия СССР, 1 972.

5. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Обобщенная математическая модель процессов термической обработки колбасных изделий. Материалы III Международной конференции студентов и молодых ученых. «Живые системы и безопасность населения» МГУПБ, 2004, с. 266268

6. Безгубов М.А., Шириков В.Ф. Идентификация коэффициентов теплообмена в моделях термической обработки колбасных изделий . «Живые системы и безопасность населения» МГУПБ, 2004, с. 230231

7. Большаков А., Карпов И.И., Митрофанов Н.С., Хлебников В. Выбор оптимального режима тепловой обработки мяса и мясных продуктов. Мясная индустрия СССР, 1976

8. Большаков А., Пугачёв А., Акишипа Е. Физико-механические требования к искусственной колбасной оболочке. Мясная индустрия СССР, 1963, №3, с.52-55.

9. Ю.Бражников A.M. Исследование и разработка основ аналитической теории процессов термической обработки мясопродуктов. Автореферат на соискание учёной степени д.т.н., М., 1973, 50 с.

10. Бражников A.M. Математическое описание процессов термической обработки мясных продуктов. Мясная индустрия СССР, 1986, №4, с.38-40

11. Бражников A.M. Определение времени продолжительности термической обработки варёных колбас. Мясная индустрия СССР, 1985, №2, с.32-34

12. Бражников A.M. Гаврилов В.А. Термоагрегаты для обработки колбасных изделий. М., ЦНИИТЭИ мясопром СССР, 1970

13. Бражников А.М.Карпов О.Т., Чернов И.В. Аналитические методы исследования процессов термической обработки мясопродуктов., М., Пищевая промышленность, 1974

14. Бражников A.M. Карпычев В.А., Пелеев А.И. Аналитические методы исследования процессов термической обработки мясопродуктов. М., Пишевая промышленность, 1974, 234 с.

15. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами.

16. Воларович М.П. Исследование реологических свойств дисперсных систем. Коллоидный журнал. Т. 16, 1954, №3

17. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами.Политехника, 1991,269 С.

18. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. JL, Энергия, 1971,144 с.

19. Голубев В.Н., Жиганов И.Н. Пищевая биотехнология. М., Делипринт, 2001, 123 с.

20. Горбатов А.В. Реология мясных и молочных продуктов.М., Пищевая промышленность, 1979, 383 с.

21. Горбатов А.В. Исследование процесса электроконтактного нагрева колбасного фарша. Мясная индустрия СССР, 1969

22. Горбатов А.В., Федоров Н.Е., Горбатов А.В., Рогов И.А. Структурно-механические свойства некоторых продуктов мясной промышленности. VIII Европейский конгресс работников НИИ мясной промышленности, М., 1962

23. Гурьянов В.А. Исследование и оптимизация процессов термической обработки мясных консервов. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., 1987

24. Джумбеев Н.Д. Пироговский Н.А. Усовершенствование некоторых процессов производства колбас

25. Джумбеев Н.Д. Пироговский Н.А. Устройство для термической обработки. Сб. ЦИНТИ пищепром, серия мясная и птицеперерабатывающая промышленность, 1977

26. Долежалик В. Пособие и моделирование в химической технологии. Гостоптехиздат, 1960

27. Ивашкин Ю.А. Гурьянов В.А. Моделирование тепловых процессов пастеризации мясных консервов при ступенчатых изменениях температуры греющей среды. Тезисы докладов VI Всесоюзного семинара. М., 1983, с.92-95

28. Ельфимов В., Жариков А., Налётов Н. Изменение микроструктуры мясного фарша при различных режимах термической обработки. Мясная индустрия СССР, 1974

29. Копников А.Г. Технология колбасного производства. М., Пищепромиздат, 1961, 519 с.

30. Лавров Л.П. Технология колбасного производства. М., Пищепромиздат,

31. Лавров Л.П., Гноева П.С., Колёнова М.С., Гусева А.И. Исследование режимов термической обработки варёных колбасных изделий. Труды Всесоюзного НИИ мясной промышленности, 1964

32. Лыков А.В. Теория теплопроводности, М., ВШ, 1967, 600 с.

33. Лыков А.В. Теория сушки. М., 1968, 417

34. Лыков А.В. Тепломассообмен. М., Энергия, 1978, 480 с.

35. Лыков А.В. Методы решения уравнений нестационарной теплопроводности. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, №5, 1970, с.109-150

36. Лыков А.В. Берковский Б.М. Конвекция и тепловые волны. М., Энергия, 1974, 336 с.

37. Линик Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений, Физматгиз, 1962

38. Маслов В.П., Данилов В.Г., Волосов К.А. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса. М. Наука, 1987, 352 с.

39. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М. Мир, 1973,344 с.

40. Михайлов Н.В., Ребиндер П. А. О структурно-механических свойствах дисперсных и высокомолекулярных систем. Коллоидный журнал. Т. 17, №2, 1955

41. Моисеева Е.Л. Микробиология мясных и молочных продуктов, М., Агропромиздат, 1988,223 с.

42. Мюпх Р., Заупе X., Шрайбер М., и др. Микробиология продуктов животного происхождения., М., Агропромиздат,, 1985, 592 с.

43. Николаев Б.А. Измерение структурно-механических свойств пищевых продуктов, Из-во «Экономика», 1964

44. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. «Химия», 1987, 576 с.

45. Пелеев А.И. Определение длительности тепловой обработки мясопродуктов. Теплофизические основы процессов. Мясная индустрия СССР, №6, 1963, с. 14-18

46. Пелеев А.И. Основное уравнение тепловой обработки мясопродуктов. Теплофизические основы процессов. Мясная индустрия СССР,, №1, 1964, с.45-49

47. Пелеев А.И. Бражников A.M. Методы исследования тепловых аппаратов машин промышленности с распределёнными параметрами. Известия ВУЗов, Пищевая технология, №6, 1967, с.107-110

48. Пелеев А.И. Бражников A.M. Гаврилова В.А. Тепловое оборудование колбасного производства. М. Пищевая промышленность, 1970, 384 с.

49. Пелеев А.И. Бражников A.M. Тепло и массообмен при термической обработке мяса и мясопродуктов паровоздушной смесью. М., ЦИНТИ пищепром, 1965, 62 с.

50. Пелеев А.И. Бражников A.M. Теплофизическое обоснование параметров термической обработки колбас с целью автоматизации процесса. Мясная индустрия СССР, №10, 1867, с.30-34

51. Пелеев А.И. Бражников A.M. Автоматизация процессов термической обработки колбасных изделий. М., ЦНИИТЭИ мясопром СССР, 1972.

52. Первозванский А.А. Гайугори В.Г. Декомпозиция, агрегирование и приближенная оптимизация.М., Наука, 1979, 342 с.

53. Полянин А.Д., Вязьмин А.В., и др. Справочник по точным решениям уравнений тепло и массопереноса. М., Факториал, 1998, 368 с.

54. Ребиндер П. А. Современные проблемы коллоидной химии. Коллоидный журнал, т.20, №25, 1958.

55. Рогов И.А., Горбатов А.В. Новые физические методы обработки мясопродуктов. Из-во «Пищевая промышленность», М., 1966, 300 с.

56. Спирин Е.Т. Горбатов В.М., Михайлов Н.Д., Завьялов Н.В. Исследование процесса термообработки колбасных изделий без оболочки при индуктивном нагреве. Труды ВНИИ мясной промышленности, 1971

57. Смышляев П.В. Оптимальная система управления универсальными термокамерами. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Н.Новгород, 2004

58. Тихонов А.И., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Обыкновенные дифференциальные уравнения, М., Наука, 1970

59. Тихонов А.И., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М., Наука, 1972, 736 с.

60. Шириков В.Ф. Бабакин Б.С., Безгубов М.А. «Моделирование процессов холодильной обработки продуктов с переменным сечением». Сборник научных трудов «Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии», выпуск 2., МГУПБ, М., 2003 г., с.28-32

61. Шириков В.Ф. Бабакин Б.С., Безгубов М.А Приближенное решениеизадачи замораживания плоских мясных изделий. Сб. научных трудов «Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии», выпуск 2., МГУПБ, М., 2004г., с.33-37

62. Шириков В.Ф., Безгубов М.А., Моделирование процессов термической обработки мясопродуктов прямоугольной формы. «Живые системы и биологическая безопасность населения», М., 2003, с.227-228

63. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика, теплопередача. ВШ, 1988, 460 с.

64. Яковлев Е.И. Шириков В.Ф., Шершков В.В. и др. Управление системами трубопроводного транспорта. М., ВНИИОЭНГ, 1993, с. 306

65. Adam М. Tepelne zpracovani masnych virobki v udirnach-Prymal potrain, Nr.4, 10 (Priloga), 1957, s.1-15

66. Adam M.Neue Moglichreiter der Intensivizund des Raucherverfahrens. Die Fieischwirtschaft, 12, 10, 1960

67. Adam M.Bontlik H., Suchy J. Meznocti intersifekacc Procesun uzenj -Prumyse potravin, N. 4,10,1960, s.349-404.

68. Lange W. Einfluszmoglichkeiten der Rauchenkamer auf die Producte beim rauchern von bruhwzurst Die Fieischwirtschaft, vol., 54, Nr. 4, 1974, s.746-751.

69. Fosten W.W., Simson Т.Н. Studies of the Smoking, process for foods, the importance of vapors. Science Food Agriculture, 12, No. 5., 1961, p.363

70. Gregory S.A. Preparing food in "fluidized bed". New Scientist, No 410, 1964, p. 758-759.

71. Schowman C.M.The effect of oven air temperature, circulation and Pressure on the roasting of top rounds of beef (gield and roasting time). Food Technology, 15.13. 1961,p.l33.

72. Wistneich Yugo E. What you spould know about heat, smokr, meat. Meat, v.26, №.4, 1963.

73. Feliciotti E. Esselen V. Thermal destruction rates of thiamine in pureed meats and vegetables. Food Technology. N.l 1, 1957, p.77-84/

74. Flambert C., Deltour J. Localisation of the critical area in thermally-processed conduction heated canned food. Lebensmittel Wissenschaft Technologie, N 5,1972, p. 7-13

75. Hayakawa K. Estimating food temperatures during various heating or cooling treatments. ASHRAE Journal, N. 9, 1972, p. 65-69.

76. Hayakawa К. Mathematical methods for estimating proper thermal processes and their computer implementations. Avd. Food Research, N. 23, 1977, p. 75-141.

77. Lens M., Lund D. The Lethality Fourior number method: Experimental verification of a model for calculating temperature profiles and lethality in conduction - heating canned foods. Journal of Food Science., N.42, 1977,p.989-996.

78. Thijssen H., Kerkohf P. Short cut method for the calculation of sterilization conditions yielding optimum quality retention for conduction type heating of packed foods. Journal of Food Science, 43, 1978, p. 1096 -1101

79. Укрупнённая блок-схема алгоритма планирования режима1. Начало работы программы

80. Ввод исходных данных (из БД или с пульта): h г0, Уо\, У02' h* Tq , Тх , Тц, {tJji}, /j = 10 ;

81. Вычисление: r01 = g-r0, A2l, A22, An, An;

82. Вычисление: начальных параметров: a0, c°

83. Вычисление: a'02, Г0', Г/, c'0 = T^;6. Вычисление:1. ГогГ =ш0 ' 00 если Tq + Tq~1 > 2Т00если Г0' + rj"1 <2Г002z2 zесли Г/ + 7.м > 2Т00еслиТ(+Т''х < 2Т00,2 zесли Т; + Г;4 >2Г000 если Т^ + Т^ < 2Г004=0о