Научно-технические основы разработки установки с индукционным нагревом для пастеризации молока

Традиционным методом, используемым для термической обработки жидких пищевых продуктов, является пастеризация, технология которой разрабатывалась десятилетиями и является эффективным и экономичным методом обработки в пищевой промышленности. Эти методы в основном основаны на конвективной и кондуктивной передаче тепла, при которой тепловая энергия передается от горячей среды к более холодному продукту, что приводит к большим температурным градиентам.

Для термической обработки пищевого сырья (молока, сока, морса, джема и др.) в пищевой промышленности применяют установки с промежуточным теплоносителем. Так, наиболее распространенными промежуточными носителями являются водяной пар или вода, которые усложняют конструкцию. Из-за этого возникают сложности с автоматизацией технологического процесса, увеличиваются масса и габариты установки, требуются затраты на обслуживания дополнительного оборудования, например, парового котла. Также непосредственно перед тепловой обработкой самого сырья необходима энергия для получения пара или нагрева воды. По этой причине в настоящее время продолжается разработка высокоэффективных устройств с улучшенными техническими характеристиками.

Обзор литературы

Такие технологии обработки продуктов как ультразвуковая [1; 2], инфракрасным и ультрафиолетовым облучениями [3; 4], кавитация [5], высоким давлением [6], солнечной энергией [7] и другие [8; 9] не получили широкого распространения или находятся на стадии исследования и разработки. Также при поиске новых способов пастеризации важно учитывать их влияние на компоненты пищевого сырья, пищевую ценность и биологически активные соединения. В работе [10] 130 Пищевые системы

Vol. 34, no. 1. 2024 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS ^Т^ авторами приведены нетермические методы пастеризации и стерилизации молока, а также их воздействие на микроорганизмы, биологические вещества и физикохимические свойства продукта.

Перспективным методом кондуктивной передачи тепла является магнитноиндукционный нагрев, который широко применяется в быту [11; 12], в пищевой и металлургической промышленности [13; 14], а также в дорожном строительстве [15].

Использование такого метода нагрева демонстрирует в процессе пастеризации высокую энергоэффективность, быстрый нагрев, безопасность, чистоту, малую металлоемкость, простоту конструкции и точный контроль температуры нагреваемого сырья. Как бесконтактный метод прямого нагрева материала он основан на джоулевом нагреве и магнитном гистерезисе. Данные механизмы вызывают нагрев за счет неравномерного распределения тока в области проводящего материала из-за образования переменного магнитного поля.

В работах [16; 17] приведено обоснование конструктивных параметров для проточного пастеризатора индукционного типа с выдерживателем. Однако рабочая частота данного пастеризатора составляет 50 Гц, и его конструкция предполагает использование в промышленных масштабах.

А. А. Багаев и С. О. Бобровский [18] на основе энергетического и эксенерге-тического анализа, сравнив пастеризаторы молока типа «водяной пар – молоко», пастеризатор индукционного типа и пастеризатор термосифонного типа, отметили, что перспективным направлением исследований является совершенствование установки с индукционным принципом работы. Зарубежные авторы [19] в своем исследовании по термической обработке 500 л клубничного джема установили, что для системы с индукционным нагревателем затрачивается меньше энергии и эксенергии, нежели для системы электрического нагревателя с водяной рубашкой.

Преимущества индукционного нагрева и его влияние на физико-химические свойства продукта показаны в работах, описывающих стерилизацию сока киви [20], яблочного сока [21], пастеризацию сока гуавы [22], томатной пасты [23], яичных белков [24]. Авторами исследования [25] показана эффективность внедрения технологии индукционного нагрева при пастеризации молока на заводе.

В работах [26–28] описываются универсальные индукционные системы, которые применяются в пищевой промышленности. В таких системах в качестве основных элементов используются индукционные катушки, блок питания высоковольтного генератора, микроконтроллер и колебательный контур.

С целью повышения эффективности управления работой аппаратов пищевых производств в различных технологических процессах авторами в работах [29] используется автоматизация, которая позволяет освободить человека от выполнения рутинных задач, повышая производительность его труда. Кроме того, автоматические устройства минимизирует участие человека в том или ином процессе, минимизируют вероятность ошибки в определении различных величин. Автоматические системы гораздо точнее и своевременнее реагируют на изменения тех или иных параметров.

Автоматизация технологических процессов с использованием PID-контроллера на базе микрокомпьютера, описываемая в работах [30–31], является не просто полезной, но и незаменимой в предлагаемых случаях, когда необходимо учитывать большое количество параметров технологического процесса и максимально точно их поддерживать в пределах задаваемых величин.

В исследованиях [32–34] описываются устройства пастеризации молока с использованием PID-контроллера, где в отличие от ручного или автоматического управления PID-регулирование позволяет повысить качество пастеризованного молока и с более высокой вероятностью уничтожить бактерии, которые находятся в сыром молоке.

Материалы и методы

Основной частью прототипа установки является резонансный колебательный LC-контур, в состав которого входит емкость пастеризации, индукторы, отвечающие за нагрев установки, и силовая часть.

В качестве материала для изготовления емкости, мешалки и крышки была выбрана используемая для производства пищевого оборудования нержавеющая сталь марки AISI 304 (российский аналог по ГОСТу – сталь марки 08X18H10) аустенитного класса с толщиной стенок 2 мм. Она имеет удельное электрическое сопротивление 0,73 мкОм∙м и относительную магнитную проницаемость около 0,8–1, что показывает отсутствие способности нержавеющих сталей к намагниченности в отличие от ферромагнитных. Токи Фуко, наводимые индуктором на поверхность металла, возникают в ферромагнитных материалах, поэтому для локализации места индукционного нагрева к емкости приварены пластины толщиной 2 мм из нержавеющей стали марки AISI 430 ферритного класса.

Индуктор представляет собой каркас со спиралевидно расположенным в нем проводом. Такое расположение оставляет на поверхности каркаса максимально возможное свободное пространство, совместимое с его размерами и числом витков для прохождения силовых линий магнитного поля. Также при таком расположении силовые линии переменного магнитного поля не пронизывают проводник, уменьшая явление самонагрева индуктора. При равномерном нагреве цилиндрической емкости для сырья каркас индуктора повторяет ее профиль.

Генерируемое переменное электромагнитное поле проходит через каркас и концентрируется на внешней поверхности накладки из ферритной нержавеющей стали. Таким образом, вихревые токи распределяются на поверхности накладок на цилиндрической емкости, и выделение тепла происходит в основном на площади по внешнему периметру индуктора.

В качестве провода для индуктора был выбран многожильный медный провод – литцендрат, поскольку он отличается высокой гибкостью и простотой укладывания. Также, как известно, при повышении частоты тока возникает скин-эффект, то есть происходит смещение тока к поверхности проводника, из-за которого увеличивается сопротивление. В литцендрате же ток проходит по поверхностному слою каждой жилы, таким образом увеличивается площадь протекания тока и уменьшаются потери.

Каркас для индуктора выполнен из полимерного материала, выбранного исходя из основного параметра – температуры эксплуатации. Данный каркас образу- ет дополнительный слой, который исключает вероятность короткого замыкания литцендрата с металлической емкостью.

Корпус прототипа устройства пастеризации и силового блока изготовлен из алюминиевого композиционного материала. Для теплоизоляции емкости использовали гибкую каучуковую теплоизоляцию толщиной 6 мм.

Разработку основных элементов прототипа проводили с использованием 3D моделирования в системе автоматизированного проектирования «КОМПАС-3D». Для изготовления основных элементов и узлов прототипа использовались современные лазерные фрезерные и аддитивные технологии. Разработку и отладку электронной схемы силовой части прототипа устройства авторы настоящего исследования проводили в программе для проектирования Proteus 7.10. Для изготовления силовой части блока генерации электромагнитной индукции использовали микроконтроллер Mega 2560 на базе платформ Arduino Mega 2560 и Iskra Mega. Контроль регулируемой температуры осуществлялся с помощью водонепроницаемого датчика температуры DS18B20, для визуализации распространения теплового поля по поверхности стенок емкости применяли тепловизор.

Для написания программ управления работой прототипа пастеризатора на языке программирования Python на микрокомпьютере Raspberry Pi использовалась среда разработки Thonny с соответствующими библиотеками.

Результаты исследования

Внешний вид схемы прототипа разрабатываемого устройства для пастеризации молока индукционного типа объемом 75 л представлен на рисунке 1.

Р и с. 1. Схема прототипа пастеризатора: 1 ‒ бак пастеризатора; 2 ‒ ферромагнитные накладки;

3 - стол для размещения пастеризатора; 4 - корпус; 5 - элементы корпуса; 6 - крышка;

7 ‒ индукторы; 8 ‒ крепление индуктора; 9 ‒ блок панели управления; 10 ‒ стойка; 11 ‒ мешалка;

12 ‒ электромотор; 13 – теплоизоляционная рубашка

F i g. 1. Diagram of a pasteurizer prototype: 1 - pasteurizer tank; 2 - ferromagnetic pads;

3 – table for the pasteurizer; 4 – body; 5 – body elements; 6 – cover; 7 – inductors; 8 – inductor mounting; 9 - control panel block; 10 - stand; 11 - stirrer; 12 - electric motor;

13 – thermal insulation jacket

В ходе выполнения конструкторских работ было принято решение об использовании системы индукторов из двух параллельно соединенных пар. Такое расположение позволяет контролировать зону нагрева, допуская технически разработать установку пастеризации молока с разными областями нагрева в зависимости от объема обрабатываемого сырья, что актуально для малых крестьянских фермерских хозяйств, занимающихся переработкой молока и производством продуктов питания на его основе.

В процессе исследования была разработана силовая плата для сопряжения уровней сигналов в микроконтроллере (далее - МК), были созданы схемы драйвера ключей на полевых транзисторах IGBT. В основе силовой части прототипа устройства находится МК Mega 2560, который контролирует аналоговые сигналы датчика температуры среды (TSRED), датчика температуры емкости (TMAIN), датчика температуры с транзистора IGBT (TIGBT), задает сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления мощностью выходных транзисторов (PWM IGBT). МК при необходимости включает вентилятор охлаждения транзисторов IGBT (FAN) и в случае ошибки подает звуковой сигнал (BAZZER). На рисунке 2 показана функциональная блок-схема силового модуля прототипа устройства для пастеризации молока.

Р и с. 2. Функциональная блок-схема силового модуля прототипа пастеризатора с индукционным нагревом

F i g. 2. Functional block diagram of the power module of the prototype pasteurizer with induction heating

На плате питания вход переменного тока 220 В преобразуется в напряжение с максимальным значением до 300 В мостовым выпрямителем. В модуле ACDC добавляется 18 В и 5 В. LC-индуктор питается от источника до 300 В для создания магнитного поля и нагрева емкости пастеризации за счет Джоулева тепла.

Для обоснования выбора марки стали, необходимой для изготовления емкости и осуществления принципа индукционного нагрева, были проведены испытания генератора с использованием в качестве нагрузки емкости из нержавеющей стали разных марок. На рисунке 3 показаны результаты изменения сопротивлений и индуктивности при изменении силы от 1 до 25 А при фиксированном значении резонансной частоты ƒ = 40 кГц на ферромагнитной (AISI 430) и неферромагнитной (AISI 304) емкостях.

AISI 304

AISI 430

Р и с. 3. Графики изменения значения сопротивления (R) и индуктивности (L) при работе генератора с использованием нагрузки – емкости из разных материалов

F i g. 3. Graphs of changes in the value of resistance (R) and inductance (L) when the generator operates using a load – a container made of different materials

AISI 304

AISI 430

Неферромагнитная емкость не имеет гистерезисных потерь, но имеет относительный уровень магнитной проницаемости, приблизительно равный 1. Соответственно, на значения R и L неферромагнитного материала емкости не повлияли приложенные значения силы тока (по сравнению с ферромагнитным материалом).

На рисунке 4 показаны результаты испытаний работы пастеризатора с индукционным нагревом и с пустой емкостью при определенных значениях основных величин U, R, L и I. Из рисунка видно, что по данным съемки с тепловизора Testo 875-1i идет эффективный нагрев стенок емкости, изготовленной из нержавеющей стали марки AISI 430.

Р и с. 4. Результаты испытаний работы пастеризатора с индукционным нагревом при оптимальных значениях основных величин U, R, L и I

F i g. 4. Results of testing the operation of a pasteurizer with induction heating at optimal values of the main quantities U, R, L and I

Таким образом, в рабочем прототипе для получения эффективных температурных интервалов в разных областях емкости пастеризатора нами используется металлическая накладка из нержавеющей стали ферритного класса (AISI 430), навариваемая поверх основной емкости, изготовленной из пищевой нержавеющей стали (AISI 304).

Для управления работой установки PID-регулирования процесса пастеризации и для взаимодействия с различными его периферийными устройствами, датчиками, измеряющими различные параметры пастеризации молока, использовали микрокомпьютер Raspberry Pi. Сопряжение микрокомпьютера Raspberry Pi с Arduino Mega 2560 или Iskra Mega проводили с помощью интерфейса ввода и вывода общего назначения (GPIO). Данный интерфейс позволяет программам обмениваться с внешними по отношению к микрокомпьютеру устройствами низкоуровневыми цифровыми сигналами, устанавливать состояние ввода и вывода, а также уровень сигнала в момент чтения или записи.

На рисунке 5 указаны 2 различных переходных процесса регулирования температурой относительно задаваемой температуры уставки 65 °С, необходимой для пастеризации 50 л сырья. Из эксперимента следует, что в течение 30 мин. происходит нагрев сырья до температуры уставки, далее установка переходит в режим выдержки. В первом случае подбора коэффициентов PID-регулирования наблюдается сильное увеличение статистической ошибки за счет неоптимальных коэффициентов, температура после выхода на режим выдерживания (65 °С) относительно уставки на 5–7 °С превышает заданное значение. Во втором случае регулирование происходит плавно, при оптимальных значениях коэффициентов PID-регулирования статистическая ошибка температуры не превышает 3 ºС.

Р и с. 5. Графики переходных процессов при изменении коэффициентов PID-регулирования температуры

F i g. 5. Graphs of transient processes when changing PID temperature control coefficients

Алгоритм регулирования процессом пастеризации молока в экспериментальной установке представлен на рисунке 6. После включения установки проходит ее инициализация – проверка базовых параметров, несоответствие которых с предусмотренными значениями не позволяет проводить процесс пастеризации. Такими параметрами являются ток и напряжение питания, подаваемые на индуктор, а также скорость перемешивания и температура пастеризации. Если эти параметры не соответствуют предусмотренным значениям, установка перезапускается.

При соответствии введенных данных происходит запуск эксперимента пастеризации молока, следует постоянный анализ данных, получаемых с датчиков, и их вывод на экран панели управления.

Если на протяжении всего эксперимента все измеряемые данные не превышают допустимых пределов, эксперимент завершается в штатном режиме, данные записываются в файлы, а некоторые выводятся на экран. После окончания измерений в окно «Меню» выводится график зависимости температуры пастеризации от времени. После построения графика происходит его сохранение в формате изображения PNG, формируется отчет эксперимента.

Р и с. 6. Алгоритм регулирования процесса пастеризации молока в экспериментальной установке

F i g. 6. Algorithm for regulating the milk pasteurization process in an experimental unit

Обсуждение и заключение

Разработано конструктивное решение расположения основных элементов и узлов для установки длительной пастеризации молока с индукционным нагревом. В ходе испытаний принципа индукционного нагрева на нержавеющих сталях разного состава AISI 304 и AISI 430 при выбранных значениях основных величин U, R , L и I и фиксированном значении резонансной частоты 40 кГц сделан вывод, что для осуществления возникновения индукционных токов на поверхности емкости необходима накладка из ферромагнитной стали AISI 430, навариваемая поверх основной емкости, изготовленной из пищевой нержавеющей стали AISI 304, применяемой в пищевой промышленности. Использование системы индукторов, повторяющих цилиндрический профиль емкости, позволило создать прототип установки двумя зонами нагрева в зависимости от объема обрабатываемого сырья.

В процессе выполнения работы была разработана силовая плата для сопряжения уровней сигналов в МК, созданы схемы драйвера ключей на полевых транзисторах IGBT. Также разработан алгоритм для управления работой и PID-регулирования процесса пастеризации молока в экспериментальной установке на базе микрокомпьютера Raspberry Pi, позволяющего учитывать параметры технологического процесса и максимально точно их поддерживать в пределах задаваемых величин. Подобраны оптимальные значения коэффициентов PID-регулирования, с помощью которых возможно удерживать заданную температуру пастеризации, способную эффективно нейтрализовать все патогенные бактерии.