Software & Systems

Одним из этапов производства мясных полуфабрикатов является тепловая обработка, которую можно описать системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях. Однако аналитическое решение уравнений представляется сложными выражениями с разложением в ряд с громоздкими коэффициентами и многостадийными вычислениями, что делает их практически неприемлемыми для вычисления температурных и влажностных полей.

Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги, суммарный критерий фазового перехода. Считая образец полубесконечным тонким стержнем, 0<х<∞ и d

;

,                               (1)

где N – толщина образца (безразмерная величина); Т – относительная безразмерная температура.

Критериальные уравнения можно привести к параметрическому виду:

,                              (2)

где t – температура продукта, К; U – влагосодержание, %; t  – время, сек.; a, am – коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м2/cек.; с – удельная теплоемкость продукта, Дж/кг·К; e – критерий фазового перехода «жидкость – пар»; rП – удельная теплота парообразования, Дж/кг; ρ – плотность вещества продукта, кг/м3; ω – мощность объемного равномерно распределенного источника тепла, Bт; δ – коэффициент термодиффузии, кг/К.

Это позволяет без упрощений с заданной точностью исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассообменного процесса в цилиндрических координатах [Беляе- ва М.А.].

Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме

· для теплообмена:

                                     (3)

где a – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²; l – коэффициент теплопроводности, Вт/м;

· для массообмена:

     (4)

где au, lu – коэффициенты влагоотдачи и влагопроводности.

При изменении влажности и температуры нагрева продукта происходят массообменные процессы, связанные с изменениями массовых долей биологических компонентов: амино- и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов (фрагмент представлен в таблице).

Объединив уравнение тепломассопереноса с уравнениями регрессии, получим обобщенную модель процесса тепловой обработки, а на ее основе – алгоритмы оптимизации по критериям минимизации потерь пищевой и биологической ценности продукта [Беляева М.А.].

Изменение массовых долей ингредиентов биологической ценности

Оптимальная температура по каждому критерию минимального отклонения от исходных определялась методом дробного шага на унимодальном участке изменения критерия в интервале t0, tmax или методом прямого перебора от 0 до tmax с нахождением всех локальных экстремумов и выделением унимодальных участков функции. Из совокупности локально-оптимальных решений лучшая альтернатива находится по функционалу качества, преобразованному в функцию полезности Φк с минимальной суммой квадратов отклонений получаемых значений критериев Ψkl от их локальных экстремумов Ψkopt:

; k=1,n,                      (5)

где Ψkopt – оптимальная величина k-го критерия; Ψkl – значение k-го критерия в l-й альтернативе.

Разработан программный комплекс, модули компьютерной системы функционируют в средах Windows 95/NT/98/ME/2000/ХР/2003,2007, для вывода результатов вычислений на экран были использованы элементы MSFlexGrid языка программирования VBA, интерфейсы написаны в Delphi, основные процедуры – в Object Pascal, графическая среда Labview [Беляева М.А.].

Для поддержания оптимальных температурных режимов разработана система мониторинга и регулирования температуры в печи с инфракрасным энергоподводом на базе персонального компьютера с использованием программной среды Labview и NI DAQ-плат PCIX-модулей. Данная система была использована в связи с относительной простотой аппаратурного оформления, надежностью и визуальностью интерфейса программного обеспечения (см. рис.).

Разработанная система функционирует следующим образом: аналоговые сигналы с датчика температуры поступают на DAQ-плату – многофункциональное устройство сбора данных, где преобразуются в цифровой код, фильтруются от помех и преобразуются в величины, соответствующие выбранным единицам измерения (в данном случае преобразование производится в вольтах). Далее сигнал в цифровом виде вводится в компьютер, где с помощью программного продукта «Контроль и регулирование температуры», разработанного в среде Labview, усредняется за заданный временной интервал, тарируется с помощью коэффициентов в градусы Цельсия, выводится на монитор виртуального осциллографа и сравнивается с критическими величинами. Использование виртуального осциллографа позволяет отслеживать изменение температуры во времени. Если текущее значение сигнала выходит за заданный предел, на экране монитора загорается сигнальная лампа. Далее сигнал поступает на регулирующее устройство включения-выключения инфракрасной лампы.

Использование среды графического программирования Labview позволяет быстро создавать виртуальные приборы с большими возможностями для анализа и с интерфейсом, удобным для пользователя (Компьютерная система контроля и регулирования температуры в научном эксперименте с использованием среды LabVIEW. М.Н.Орешина, М.А. Беляева. Свид-во об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2007611824 по заявке № 2007610997).

Применение NI DAQ-устройств позволяет быстро и безопасно изменять способы подключения датчиков к измерительным цепям. Ранее разработчики системы сбора данных затрачивали большое количество времени, определяя типы сигнала, подключения, уравнения преобразования и единицы измерения. Применение современных информационных технологий устраняет эти недостатки и совершенствует работу системы в целом.

Литература

Беляева М.А. Моделирование и оптимизация управления качеством мясных изделий в процессе тепловой обработки. М.: ООО «Франтера», 2006. 248 с.