压差预冷工艺优化及其控制系统设计

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压差预冷是一种几乎适用于所有果蔬预冷降温的方法,其核心设备是压差风机,能耗较大,通过合理地控制压差预冷过程的工艺过程,可以在保证预冷效率的同时降低压差风机的能耗。因此压差预冷的智能控制实现研究对压差预冷装备的节能、使用及推广具有重大意义和推动作用。本文选取小果径果蔬蓝莓为实验对象,运用数值模拟的方法建立了球形类比法和多孔介质法的数值仿真模型。通过分析果蔬采后预冷过程中送风状态参数对预冷时间、温度均匀度、预冷能耗的影响,优化压差预冷智能化控制策略,结合控制理论实现压差预冷过程的自动控制。运用ANSYS中Fluent软件对蓝莓压差预冷过程进行了数值模拟,并针对不同送风速度下的蓝莓预冷数值模拟结果做了实验验证。结果表明,球形类比模型具有较高的精度,温度绝对误差小于1.5℃,预冷时间相对误差在18%以内,压降的相对误差在20%左右,因此数值模拟的结果是具有参考性的。在蓝莓压差预冷实验的三种工况下(送风速度为1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s),实验结果表明,速度越大,预冷时间越短,压降越大;然而当送风速度连续增加时,预冷时间的下降幅度会逐渐减小。采用球形类比法模型模拟了不同送风温度(0、2、4、6、8℃)工况和不同送风速度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5m/s)工况下的蓝莓压差预冷。数值模拟结果表明:送风温度越低,换热温差越大,预冷速率越大;但换热温差随着预冷推进而趋于一致,因此预冷前期的温差差异最大;蓝莓以预冷到9℃为例,蓝莓从8-6-4-2-0℃变化的四个阶段中预冷时间减幅为32.17%、21.78%、17.2%、14.83%,预冷同一时间时,温度越高,均匀度越好;综合分析2-4℃是较为合适的预冷送风温度范围。随着风速的增大,预冷速率越大,但当风速超过一定数值后,预冷速率变化将变得很小;通过对不同送风速度工况下的无量纲温度Y和时间t进行数据拟合,确定了无量纲温度与时间、风速的二元函数关系式,并且根据拟合公式,平衡预冷时间、能耗和温度均匀性为考虑,得到最佳送风速度为1.3m/s左右。以7/8预冷时间(SCET)为预冷终点,1/2冷却时间(HCT)为中间节点分析了送风速度对该节点前后段的影响,随着送风速度的增加,后半段预冷时间的减幅比前半段的减幅更大,同时风机能耗方面后半段内所占能耗比例约为2/3;提出两段速变风速方案:前半段预冷过程使用较低风速,后半段预冷过程使用较高风速。根据模拟结果表明:蓝莓从26℃到13℃阶段定送风速度位1.0m/s,温度从13℃到3.25℃阶段送风速度位1.5m/s预冷;相比定送风速度1.5m/s,风机节能18.9%,时间延长12.5%;通过压差预冷工艺控制方案分析得到,回风温度可作为两段式变风速的控制条件,一定程度可以反映对流换热情况,但对产品预冷终点的预测不够准确;无量纲温度拟合值作为控制变量,可以精确的给出变风速的控制条件和预冷终点条件,其准确度取决于预测公式的精度。另外根据控制方案设计了控制系统的流程逻辑图,结合PLC和变频调节风机转速的技术,编写了压差预冷控制系统程序,从而完成了对压差预冷风机运转的闭环控制;并通过上位机SMART 700 IE V3组态对风机运行过程中的实时运行状态进行监控,通过与PC通信可实现远程操作及控制,方便样本数据的更新、缩短故障处理时间。研究结果对蓝莓压差预冷过程的送风状态参数选择有一定参考意义,且对实现压差预冷过程智能化控制系统提供参考依据。
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