Проблема обеспечения населения свежими хлебобулочными изделиями является актуальной. Перспективным направлением её решения является замена непрерывного производства на двухэтапный процесс с окончательной выпечкой полуфабрикатов в местах реализации после быстрого их охлаждения и длительного хранения. Наиболее эффективным оказалось вакуумно-испарительное охлаждение полуфабрикатов хлебобулочных изделий [1].

В 2001-2003 г.г. в ОрелГТУ проведены исследования процесса вакуумно-испарительного охлаждения с целью совершенствования на этой основе дискретного процесса производства хлебобулочных изделий [2]. Все множество факторов определяющих процесс вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий разделено нами на три группы [3]:
- контролируемые управляемые переменные x₁, x₂,…x_n, которые изменяются в процессе экспериментирования в соответствии с принятым планом. К ним относятся скорость вакуумирования камeры, масса и форма охлаждаемых изделий, объем камеры охлаждения, температура стенок камеры;
- контролируемые неуправляемые переменные z₁, z₂,…z_n - температура корочки и мякиша изделия, их влажность;
- неконтролируемые возмущения k₁ ,k₂,…k_n - степень герметичности системы, вибрации установки, излучательная способность стенок камеры.
В качестве выходной выходных величин рассматривались изменения давления в камере охлаждения, температур корочки и мякиша охлаждаемого изделия, и его массы. В качестве обобщающей целевой функции Y принят темп охлаждения хлебобулочного изделия до заданной температуры. На рисунке 1 а и б даны исходная и преобразованная схемы объекта исследования с целевой функцией Y равной

Рис.1. Структурное представление объекта исследования

Предполагается, что зависимость y_i = f(x₁, x₂) «гладкая», т.е дифференцируема и может быть представлена разложением в ряд Тейлора, а помехи независимые случaйные числа подчиняющиеся нормальному распределению с параметрами
M(ε) = 0 и σ_ε² = const.

Демонстрация возможностей вакуумно-испарительного охлаждения может быть осуществлена только прямым его воспроизведением на промышленном или экспериментальном оборудовании. Поэтому экспериментальное оборудование включало в себя лабораторную хлебопекарную печь с регулируемой температурой среды для предварительной и окончательной выпечки хлеба; лабораторную расстойную камеру; камеру вакуумно-испарительного охлаждения, размещенную в холодильнике; систему вакуумирования камеры с вакуумным насосом, масляным фильтром, фильтром - осушителем, ресивером, соединительными магистрaлями и запорными кранами.

В экспериментах должны были изменяться и контролироваться скорость вакуумирования камеры, объем камеры охлаждения и температура ее стенок; температура корочки и мякиша изделия, их влажность. Необходимо было также снизить до минимума влияние на результаты испытаний неконтролируемых возмущений, таких как герметичность системы вакуумирования, уровень вибрации установки, передачу тепла от стенок камеры.

Такого рода эксперименты требуют одновременного измерения различных по своей природе параметров. Усложнение задачи экспериментального исследования приводит к необходимости применения достаточно сложных компьютерных систем сбора и представления данных, специальных алгоритмов их обработки, и при осуществлении её в реальном режиме времени - к повышенным требованиям к инерционности датчиков и скорости измерений, порядка несколько сотен измерений в минуту.

Такая система была создана в ОрелГТУ по рекомендациям компании «National Instrument» на базе персонального компьютера Pentium 3 с объемом оперативной памяти 128 Mb, многоканального 16 разрядного аналого-цифрового преобразователя и согласующих устройств SXCI 1000. Лицевая панель и блок-схема системы измерений показаны на рисунках 2 и 3.

Как показано, на рисунке 3 аналоговый сигнал с первичных преобразователей поступает на многоканальный аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровой код, фильтруется от случайных помех и по заданному алгоритму преобразуется в цифровой сигнал, соответствующий измеряемой величине в выбранной системе единиц. Достоинством разработанной системы измерения является возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, проведение преобразований и нормирование величин, а также использование различных способов представления и регистрации данных.

Рис.2. Лицевая панель информационно-измерительной системы

Рис.3. Блок-схема системы измерений

Фактические значения предельного минимального давления вакуумного насоса и производительности системы вакуумирования в составе созданной установки определялись в ходе предварительных испытаний с незагруженной камерой. Характер изменения давления по времени для камеры объемом 20 л показан на рисунке 4.

Рис. 4. Изменение давления при вакуумировании незагруженнокамеры с объемом 20 л

На графике можно четко выделить участок линейного уменьшения давления в самом начале вакуумирования, затем давление уменьшается по экспоненциальному закону. Со временем внутри камеры достигается необходимое для проведения экспериментов давление порядка 0,6 кПа. Однако длительность откачки существенно разнится. В камере большего объема она во много раз больше.

Известно, что длительность вакуумирования герметичных емкостей при постоянной скорости откачки прямо пропорциональна их объему

В описанных экспериментах при одном и том отношении начального давления к конечному длительность откачки при увеличении объема камеры возрастает почти в 4 раза, что служит косвенным подтверждением постоянства величины Q.

Данные, приведенные на рисунке 4, использовались для определения фактической производительности системы вакуумирования, на том основании, что величины Р и dP/dt при отсутствии натекания полностью характеризует объемный расход газа в любой момент времени.

Блок-схема системы измерений была изменена таким образом (рис. 5), что сигнал, поступающий от датчика давления, непрерывно дифференцировался по времени, обрабатывался пo указанному на схеме алгоритму

Рис. 5. Блок-схема обработки сигнала Р = f(τ)

По полученным данным строилась зависимость Q = f(τ) (рис. 6). Можно видеть, что скорость откачки постепенно увеличиваясь с момента пуска насоса, достигает значения 0,2 л/с и далее остается практически постоянной.

Использование разработанной системы сбора, обработки и представления данных позволило автоматизировать экспериментальные исследования вакуумно-испарительного охлаждения хлебобулочных изделий, получить необходимые данные для уточнения физической модели явления и адекватности предложенной программы расчета реальному процессу, выбрать оптимальные параметры промышленного оборудования для реализации предлагаемого метода охлаждения.

Рис. 6. Зависимость скорости откачки и давления в камере от времени вакуумирования

ЛИТЕРАТУРА

1. Маринюк Б.Т., Д.В.Заварухин. Вакуумно-испарительное охлаждение: особенности и перспективы./Московский государственный университет инженерной экологии.- М.:Известия вузов. Пищевая технология №1,2000.- с 47-48

2. Малахов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств /Плаксин Ю.М., Ларин В.А.- Орел:Изд.-во ОрелГТУ, 2001.- 686с.

3. Теплотехнический эксперимент. Справочник./ Под ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина.- М: Энергоиздат, 1982.-510 с.