WYBRANE PROBLEMY STEROWANIA WIELOSTOPNIOWEJ WYPARKI DO PRODUKCJI KONCENTRATU SOKU OWOCOWEGO

I N Ż Y N I E R I A ROLNICZA A G R I C U L T U R A L ENGINEERING 013: Z. 1(141) T.1 S. 7-17 ISSN 149-764 Polske Towarzystwo Inżyner Rolnczej http://www.ptr.org WYBRANE PROBLEMY STEROWANIA WIELOSTOPNIOWEJ WYPARKI DO PRODUKCJI KONCENTRATU SOKU OWOCOWEGO Potr Cykls Instytut Inżyner Ceplnej Procesowej, Poltechnka Krakowska Streszczene. Dzałane welostopnowej wypark do produkcj koncentratów soków owocowych pod względem termodynamcznym jest znane, nemnej jednak frmy produkujące wypark ne podają szczegółów konstrukcyjnych rozwązań an zastosowanych metod sterowana. Ważnym problemem przy odparowanu jest mnmalzacja zużyca energ na jednostkę produktu fnalnego. Dla ogranczena zużyca energ stosuje sę welostopnowe odparowane wspomagane przez właścwe dobraną automatykę sterującą procesem. Celem pracy jest pokazane ważnejszych problemów sterowana procesem w rzeczywstym obekce przemysłowym, uwzględnając stan ustalony pracy wypark dynamczne zmany parametrów surowca, produktu otoczena. Zakres pracy oparty został na dośwadczenach autora przy projektowanu technolog, optymalzacj uruchamanu klku pracujących w połudnowej Polsce wyparek do produkcj koncentratu soku owocowego, wyposażonych w urządzena do odzysku aromatów, dotyczy wybranych elementów projektu powerzchn wymany cepła dzałana statycznego oraz dynamcznego układów automatyk. Przedstawone w pracy wynk badań pozwalają na sformułowane wnosków, że w sterowanu pracą wypark należy uwzględnać czynnk dynamczne, uwzględnające stałe czasowe ocenane eksperymentalne wprowadzane do algorytmów automatyk. Automatyka mus równeż reagować na zmany parametrów otoczena zewnętrznego, wpływające na cśnene w skraplaczu, czyl sterowane pompy próżnowej. Słowa kluczowe: wyparka welostopnowa, energochłonność, koszty procesu, automatyka sterowane Wstęp Proces welostopnowego odparowana znany jest od klkudzesęcu lat. Stosowany jest w cukrownctwe, przy odsalanu wody morskej, przy suszenu śceków, w przemyśle papernczym, przy produkcj koncentratów soków owocowych oraz wstępnej koncentracj mleka (Kubasewcz, 1977; Lewck, 005). Ważnym składnkem całkowtych kosztów produkcj jest koszt energ doprowadzanej do procesu odparowana, gdze źródłem cepła

Potr Cykls jest para nasycona, wytwarzana w kotle parowym opalanym gazem lub olejem. Zużyce energ można mnmalzować na dwóch etapach: wyboru właścwej technolog w momence zakupu urządzena przy eksploatacj zarządzanej przez nowoczesną automatykę sterującą procesem. Do koncentracj soków mleka stosowane są różne konstrukcje wyparek: płaszczoworurowe z opadającym flmem ceczy, płytowe, z dekompresją pary tp. (Hoffman, 004; Jarel n., 007). Postęp w technolog odparowana to przede wszystkm automatyka, wpływająca na energochłonność procesu odparowana, jakość wyrobu cągłość pracy wypark oraz komfort obsług. Stan ustalony pracy wypark Proces koncentracj w odnesenu do soków ma swoją specyfkę wymagana dotyczące konstrukcj wypark. Sok owocowy ne może być podgrzany do zbyt wysokej temperatury (około 98 o C dla soku jabłkowego, 85 o C dla owoców mękkch) ze względu na jakość wyrobu końcowego. Wydajność wypark do koncentratów owocowych meśc sę najczęścej w przedzale 10 30 t h -1 napływającego surowca śweżego. Zastosowane tej samej wypark do różnych owoców w cągu sezonu wymaga konstrukcj dającej możlwośc pracy w szerokm zakrese zman obcążena. W procese welostopnowym para, powstała w wynku procesu zagęszczana produktu na stopnu poprzednm, jest źródłem cepła dla odparowana w następnym stopnu. Para z ostatnego stopna zagęszczana skraplana jest w skraplaczu chłodzonym wodą. Dwe skrajne temperatury: temperatura pary śweżej, ogranczona wymogam jakośc soku, temperatura wody chłodzącej skraplacz dają w wynku dostępną całkowtą różncę temperatury dla procesu, dzeloną samoczynne pomędzy stopne wypark. Maksymalzacja tej różncy w dozwolonych grancach korzystne wpływa na wydajność efektywność procesu odparowana. Schemat dzałającej wypark pęcostopnowej pokazano na rysunku 1. Temperatura pary na perwszym stopnu t p1 regulowana jest zaworem dławącym parę, automatyczne ustawanym według cśnena nasycena. Temperatura skraplana, a co za tym dze cśnene w skraplaczu, wynka z temperatury wody chłodzącej skraplacz. Ta z kole zależy od warunków otoczena w chłodn wentylatorowej. Proces wymany cepła na pojedynczej rurce cenkowarstwowej wymennka cepła jest dosyć złożony. Z zewnętrznej strony rurk ponowej jest kondensująca para. Pełny zestaw stosowanych formuł oblczenowych można zaleźć m.n. w Cykls Żelasko (006). Formuły do oblczeń wnkana cepła mają ogólną postać opartą o specjalne zdefnowane lczby kryteralne Nusselta, Reynoldsa, Prandtla. Określene urealnonych dla badanych wymennków rzeczywstych przenkalnośc ceplnych k pozwala na ułożene poprawnych blansów stanu ustalonego całośc urządzena oblczena stanów równowag w zależnośc od zewnętrznych parametrów sterujących (np. cśnena temperatury pary zaslającej I stopeń, temperatury wody chłodzącej skraplacz, składu soku surowego). 8

Wybrane problemy sterowana... Rysunek 1. Schemat wypark pęcostopnowej zdjęce ekranu kontrolno-pomarowego układu sterującego lną wyparną frmy POMATIC obsługującego wyparkę PIKO projektu autora Fgure 1. Scheme of a fve-stage evaporator pcture of a control-measurement screen of the controllng system wth POMATIC evaporator lne whch operates PIKO evaporator of the author's desgn Tabela 1 Wartośc przenkalnośc ceplnej dla pęcu stopn wypark wg różnych źródeł badań własnych Table 1 Value of thermal permeablty for fve degrees of an evaporator accordng to varous sources and the author's own research Stopeń wypark Formuły wg VDI Formuły wg Chemcal resources Formuły wg WIEGAND k (W m - K -1 ) Oblczone wg Sugartec Badana własne rurk pozome Badana własne rurk ponowe 6 m Badana własne rurk ponowe 9 m I 193 056 3991 3994 300 646 00 II 1703 1700 3574 934 100 460 000 III 1580 1471 3050 1950 1400 175 1300 IV 184 1364 401 15 100 1709 1000 V 1064 704 1451 601 950 115 800 Źródło: VDI- Warmeatlas, (1977); Haslego, (010); www.sugartech.co.za 9

Potr Cykls W tabel 1 podano przykładowe wynk oblczeń przenkalnośc ceplnej k wykonanych na podstawe różnych zależnośc. Wdoczne są znaczące różnce w wartoścach przenkalnośc ceplnej k wyznaczonych według różnych źródeł własnych badań autora dla obektów przemysłowych. Można zauważyć wpływ długośc rurek na welkość k. Dokładne określene rzeczywstego k jest w przypadku wymennków z opadającym flmem ceczy szczególne stotne, gdyż ne ma możlwośc zwększena powerzchn wymany cepła, jak to ma mejsce w wymennkach klasycznych. W tym przypadku może to doprowadzć do zerwana flmu ceczowego w rurce zaburzene dzałana wypark. Na rysunku pokazany został model termodynamczny wymennka cepła jednego stopna wypark z zaznaczonym strumenam entalp masy. Ip, mp Is, ms Q Ip+1, mp+1 Ik, mk Is+1, ms+1 Rysunek. Schemat jednego stopna wypark Fgure. Scheme of a one degree of an evaporator Statyczny model wypark sformułowany jest dla jednego stopna (wymennk + separator) przez podane następujących zależnośc: blans energ dla jednego stopna wypark: m & + m& = Q& + m& + m& + m& (1) p p równane przenkana cepła p s s str k k s s p p + 1 + 1 + 1 + 1 ( ) = Ak t = m& ( c t ) m& () p k p p + 1 + 1 w gdze: m c w t k s oznacza strumeń masy, entalpa właścwa, cepło właścwe, temperatura, ndeksem p oznaczono parę, kondensat, sok, natomast ndeksem oznaczono wartośc parametrów funkcj stanu na wejścu do -tego stopna a z ndeksem +1 na wyjścu z -tego stopna Q str straty cepła do otoczena na stopnu. 10

Wybrane problemy sterowana... Zaps tak sformułowanych równań dla wszystkch stopn wymennka skraplacza jako stopna ostatnego, dla stanu równowag danych parametrów zaslana pary, soku śweżego wody chłodzącej skraplacz, daje układ matematyczne jednoznaczny. Jego rozwązane pozwala na oblczene wszystkch parametrów funkcj stanu płynów na każdym ze stopn dla stanu ustalonego. Analza stanów neustalonych pracy wypark Procesy rozruchu, zatrzymana zmany obcążena wypark wymagają modelu dynamcznego, odzwercedlającego rzeczywste parametry równań różnczkowych zwyczajnych. Reakcja systemu na zmany zaburzena ma charakter oscylacyjny, ne zawsze zmerzający do stanu równowag oblczonego z równań blansowych. Wynka to np. ze zmany charakterystyk przenkana cepła, zmnejszena pokrywana ścank rurk, zrywana flmu tp. Problem neustalonej pracy parowacza wypark rozważal m. n. (Aprea Renno, 001; Aly Marwan, 1997; Stefanov n., 005). Są dwa podejśca: perwsze bazuje na opse matematycznym procesu, a druge na systeme eksperckm, analzującym wyłączne odpowedź systemu na wymuszene. Przykładowe równana różnczkowe podane zostały też w (Cykls, 004). Dla przykładu jeśl t sr jest średną różncą temperatury mędzy czynnkem grzanym a chłodzonym w wymennku cepła, to na jej wartość ma wpływ m.n. średna temperatura odparowana t s. Temperatura ta wynka z temperatury wrzena przy danym cśnenu t ( p s ) tzw. podnesena punktu wrzena t(b,t ) (bolng pont elevaton) za względu m.n. na udzał cukru wyrażony w stężenu masowym b (brx): s ( p ) + t( b t ) Różnczkując to równane względem czasu τ otrzymuje sę: Welkośc t = t, (3) s dts t dps ( t) db ( t) dt = + + (4) dτ p dτ b dτ t dτ t p s = a s p ( t) ( t) b można w rozważanach małych zman w otoczenu punktu równowag uznać jako stałe. W analogczny sposób rozpsuje sę wszystke człony równań blansowych, uzyskując równana zwyczajne po ustalenu współczynnków wynkających z pochodnych cząstkowych. Druge bardzej praktyczne podejśce, stosowane w praktyce przez obsługę, polega na analze zarejestrowanych, eksperymentalnych zman parametrów, traktując układ jako tzw. czarną skrzynkę. To pozwala na uwzględnene rzeczywstych pojemnośc ceplnych ne tylko surowca pary, ale też całego urządzena. Celem sporządzena modelu jest określene wpływu zman takch welkośc, jak masowe natężene przepływu pary m&, soku s zaslającego m&, cśnena za wymennkem (z którego wynka różnca temperatury), s = a b t = a t (5) 11

Potr Cykls składu soku (zawartość cukru), przepływu wody chłodzącej skraplacz jej temperatury, na efektywność odparowana, czyl ostateczną zawartość cukru (brx) na wyjścu z wypark. Charakter przykładowego przebegu czasowego zman cśnena wyrażonego przez procent próżn pokazano na rysunku 3. Podobne wykresy można znaleźć w lteraturze, np. dla wyparek do koncentracj solank (Aly Marwan, 1997). 8 Procent próżn względnej (%) 80 78 76 74 7 70 0 5 10 15 0 5 30 Czas (mn) Rysunek 3. Zmana podcśnena II stopna wypark trzystopnowej ABO przy spadku przepływu pary śweżej, zaslającej I stopeń Fgure 3. Change of under pressure of II degree of three-degree evaporator ABO at the decrease of fresh steam flow that supples I degree Charakter odpowedz jest slne wytłumony, nemnej jednak wdoczny jest newelk charakter oscylacyjny w początku krzywej. Stąd możlwe jest zaproponowane równań transformat w postac I lub II rzędu: τ s e Gs ( ) = K ; 1 + T s Gs ( ) = K s ω e τ s + ζ ω s + ω (6) gdze: K T τ ζ ω współczynnk odpowedz zlnearyzowanej, stała czasowa, czas reakcj (opóźnene), współczynnk tłumena, częstość własna układu. Sama analza przebegów czasowych wystarczyłaby zupełne do sporządzena modelu dynamcznego pracy konkretne wybranej wypark. Na rysunku 4 pokazano grafczny spo- 1

Wybrane problemy sterowana... sób określena welkośc występujących w równanach (6). Defnując welkość przeregulowana M, którą można określć na podstawe przebegu funkcj na rysunku 4, otrzymuje sę: logm ζ = ; ω = π + ( logm) (7) π + T ( logm) Y K(1+M) K(1+M 3 ) K K(1-M ) τ τ 1 τ τ Rysunek 4. Określane transmtancj odpowedz układu na wymuszene skokowe dla modelu II rzędu Fgure 4. Determnaton of transmttance of the system answers on the step functon for the II degree model W pełnym, uogólnonym modelu dynamcznym wypark połączene obydwu metod daje najlepszy rezultat; w ten sposób z jednej strony możlwa jest pełna weryfkacja, a z drugej strony wyprowadzone zależnośc na podstawe teoretycznych równań blansowych pozwalają na uogólnene modelu dla dowolnych wyparek cenkowarstwowych, welostopnowych. Jeśl jednak automatyka dostrajana jest do konkretnego projektu wypark, to parametry T, ζ, ω, τ, K dla przebegów funkcj sterowanych dokładnej można oszacować na podstawe rzeczywstych wykresów rejestrowanych przy uruchomenu wypark. Automatyka sterująca pracą wypark Automatyka sterująca pracą wypark ma następujące zadana: zapewnene możlwe najdłuższej pracy cągłej wypark, reagując na zmany parametrów zewnętrznych wewnętrznych, przy uwzględnenu stopnowego zaneczyszczena powerzchn wymany cepła, zapewnene możlwośc płynnej regulacj wydajnośc cągłej pomędzy mnmum maksmum tej wydajnośc założonych w projekce wypark, 13

Potr Cykls nformowane obsług o newłaścwej pracy zagrożenach dla cągłośc procesu, zwłaszcza o zaburzenach pracy poszczególnych stopn wypark, zapewnene komfortu obsług. Wpływ zmennośc parametrów otoczena na pracę wypark można zobrazować na przykładze wydawałoby sę mało znaczącego parametru, jakm jest temperatura wlgotność otoczena. Decydują one o temperaturze wody chłodzącej skraplacz. Temperatura ta w okrese letnm suchym może być nższa nż temperatura otoczena, przy wykorzystanu w procese cepła odparowana wody w powetrzu o wlgotnośc ponżej 100%. Można przyjąć, że temperatura wody chłodzącej skraplacz w okrese produkcyjnym może sę zmenać w grancach 5 30 o C. Ma to konsekwencje take, że można uzyskać schłodzene pary kondensację w skraplaczu w zakrese 0 55 o C. To z kole powoduje, że cśnene nasycena pary w skraplaczu może sę zmenać według krzywej pokazanej na rysunku 5: od 3 17 kpa, czyl od 97 do 83% próżn. Rysunek 5. Zależność csnena nasycena od temperatury skraplana Fgure 5. Relaton of the saturaton pressure to condensaton temperature To zwększa znacząco wymagana dotyczące pompy próżnowej. Ta zmenność ma dwe ważne konsekwencje. Po perwsze można uzyskać wększą dyspozycyjną różncę temperatury na wyparce przy wykorzystanu pełnych możlwośc chłodzena, ale można też obnżać wydajność wypark, podnosząc temperaturę skraplana. Przykładowo jeśl obróbce podlega moszcz jabłka, to całkowta dostępna temperatura na wyparce zmena sę od 43 o C do 78 o C. Czyl około 60( o C)±30%. Jest to zmana w stosunku do wartośc projektowej, wynkająca bezpośredno z dostępnej temperatury w skraplaczu. Sterowane pracą pompy próżnowej mus uwzględnać krzywą nasycena, gdyż jej najważnejszą rolą jest odsysane gazów nekondensujących. Przyjęce newynkającej 14

Wybrane problemy sterowana... z krzywej nasycena wartośc cśnena ustawanej na pompe powoduje ogranczene odsysana gazów nekondensujących, co może po dłuższym okrese zdecydowane obnżyć wydajność wypark lub ostateczne przerwać jej dzałane. Gazy nekondensujące powodują obnżene współczynnka k, podobne jak zaneczyszczena zberające sę na ścankach. Na rysunku 6 pokazano rozdzał dostępnej różncy temperatury (w sume 50 o C) na poszczególne stopne wypark. Pokazany jest przebeg poprawnego rozkładu różncy temperatury oraz przypadek, gdze I stopeń ze względu na zaneczyszczene powerzchn przyjął wększą różncę temperatury, obnżając ją na stopnach następnych. W tej sytuacj koneczne było wcześnejsze płukane wypark. Tak sam efekt może spowodować zbyt mała recyrkulacja produktu na stopnu powodująca zrywane flmu ceczy w rurkach. Rysunek 6. Różnce temperatury na stopnu przy prawdlowej neprawdłowej pracy wypark Fgure 6. Dfferences n temperatures at the degree at the correct and ncorrect operaton of an evaporator Wnosk Przy konstruowanu wypark projektowanu algorytmów automatyk sterującej procesem należy brać pod uwagę, że: Przenkalność ceplna przegród w wymennkach może być oblczona z dokładnoścą co najwyżej 0%. Jednakże sposób ewentualnego zwększena powerzchn mus uwzględnać pokrywane flmem soku całych ścanek. 15

Potr Cykls Zastosowane w sterowanu pracą wypark algorytmów uwzględnających parametry otoczena jest koneczne ze względu na możlwość zwększena wydajnośc koneczność usuwana gazów nekondensujących przy nskch cśnenach skraplana. Sterowane dynamczne mus uwzględnać bezwładność procesu jego stałe czasowe, które najlepej ocenać eksperymentalne przy uruchamanu nowego urządzena. Sterowane mus uwzględnać zarówno dzałane całej wypark, jak stan pracy poszczególnych stopn, gdyż odparowane determnuje najgorzej pracujący stopeń, ne ma możlwośc nadrobena odparowana na pozostałych stopnach ze względu na przekazywane cepła szeregowe za pomocą pary. Lteratura Aly, N.H.; Marwan, M.A. (1997). Dynamc response of mult-effect evaporators. Desalnaton 114, 189-196. Aprea, C.; Renno, C. (001). Expermental analyss of a transfer functon for an ar cooled evaporator. Appled Thermal Engneerng, 1, 481-493. Cykls, P. (004). Dynamka pracy welostopnowej wypark cenkowarstwowej z opadającym flmem ceczy. Materały konferencyjne IV Warsztatów Modelowane przepływów welofazowych w układach termochemcznych Stawska, (streszczene: strony w materałach drukowanych, ne numerowane, pełny tekst referatu: 8 stron na CD). Cykls, P.; Żelasko, J. (007). Optymalne sterowane procesam wymany cepła masy w welostopnowej wyparce cenkowarstwowej. XIII Sympozjum Wymany Cepła Masy. ISBN 978-83- 7365-18-9. Haslego, C. (010). Pobrano z: http://www.cheresources.com/content/artcles/heat-transfer/fallngflm-evapo rators-n-the-food-ndustry?pg=1 Hoffman P. (004). Plate evaporators n food ndustry theory and practce. Journal of Food Engneerng, 61, 515-50. Jarel, O.; Reynes, M.; Courel, M.; Durand, N.; Dorner, M. (007). Comparson de quelques technques de concentraton des jus de fruts. Fruts. 51(6), 437-450. Kubasewcz, P. (1977). Wypark. Konstrukcja oblczane. Warszawa, WNT, Symbol 78999/Ch. Lewck, P. n. (005). Inżynera procesowa aparatura przemysłu spożywczego. Warszawa, WNT, ISBN 83-04-37-8. Stefanov, Z.; Hoo, K.A. (004). Control of a Multple-Effect Fallng-Flm Evaporator Plant. Ind. Eng. Chem. Res., 44, 3146-3158. VDI Warmeatlas Berechnungsblatter fur den Warmeubertragung, VDI-Verlag GmbH Dusseldorf 1977 ISBN 3-18-400373-6 http://www.sugartech.co.za/rapddesgn/multeffect/calculate.php 16

Wybrane problemy sterowana... SELECTED PARAMETERS OF CONTROLLING A MULTI-DEGREE EVAPORATOR FOR PRODUCTION OF FRUIT JUICE CONCENTRATE Abstract. Operaton of a mult-degree evaporator for producton of frut juce concentrate concernng thermodynamcs s known. However, companes producng evaporators do not gve structure detals, solutons or the appled methods of control. Mnmzaton of energy consumpton per a unt of a fnal product s a sgnfcant ssue at evaporaton. A mult-stage evaporaton supported wth a properly selected automatcs that controls the process s appled n order to lmt energy consumpton. The objectve of the paper s to show sgnfcant ssues of controllng the process n a real ndustral object ncludng a statonary state of the evaporator operaton and dynamc changes of the materal parameters, a product and surroundngs. The scope of the paper was based on the author's experments at desgnng technology, optmzaton and startng few evaporators workng n the Southern Poland for producton of frut juce concentrate equpped wth devces for aroma recovery and t concerns the selected elements of the project of the heat exchange surface and statc and dynamc operaton of the automatcs systems. The research results presented n the paper allow concluson that dynamc factors ncludng tme constants assessed expermentally and ntroduced to the automatcs algorthms should be ncluded n the control of work. Automatcs must also react to changes of parameters of the surroundngs nfluencng the pressure n a condenser that s control of a vacuum pump. Key words: mult-stage evaporator, energy consumpton, process costs, automatcs and control Adres do korespondencj: Potr Cykls; e-mal: pcykls@mech.pk.edu.pl Zakład Termodynamk Pomarów Maszyn Ceplnych Poltechnka Krakowska Al. Jana Pawła II 37 31-864 Kraków 17