Проектирование технологической линии

Снимок экрана 2018-07-03 в 8.39.54

На молочном заводе сырое молоко проходит несколько стадий обработки на различных типах технологического оборудования, прежде чем поступит к потребителю в виде готового продукта. Производственный процесс обычно происходит непрерывно в замкнутой линии, основные элементы которой соединены между собой системой трубопроводов. Вид применяемой обработки и схема процесса зависят от вида конечного продукта.

Процесс, описанный в данной главе, — это процесс общей пастеризации молока. Он является базовой операцией переработки молока и представляет собой важный этап предварительной обработки в цепи технологических процессов на молочном заводе, таких как производство сыра и кисломолочных продуктов. Нашей целью является представление хода рассуждений инженера-проектировщика при проектировании установки для пастеризации цельного молока.

Основы проектирования технологического процесса

Имеется множество аспектов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании технологической линии. Они могут меняться, усложняться, что предъявляет серьезные требования к лицам, ответственным за предварительное проектирование. Техническая реализация проекта всегда является компромиссом между различными требованиями:

  • Связанными с продукцией — относящиеся к сырью, его обработке и качеству конечного продукта
  • Связанными с технологией — относящиеся к производительности завода, выбору элементов и их совместимости, степени управления процессом, доступности теплоносителей и хладагентов, очистке технологического оборудования, и т.д.
  • Экономическими — чтобы полные издержки производства товара требуемого качества были минимальными
  • Юридическими — требованиями законодательства к параметрам процесса, а также выбору компонентов и системных решений.
Рис.1 Обобщенная блок-схема процесса пастеризации молока.

Рис.1 Обобщенная блок-схема процесса пастеризации молока.

На рис.1 представлена технологическая схема производства питьевого молока, включающая тепловую обработку — пастеризацию цельного молока.

Некоторые юридические требования

В большинстве стран, где из молока вырабатывается широкий ряд молочных продуктов, законом установлены определенные требования для защиты потребителей от заражения патогенными микроорганизмами через молочные продукты. Формулировки и рекомендации могут различаться, но группа приведенных ниже требований охватывает большинство из обычно предъявляемых.

• Тепловая обработка

Молоко должно подвергаться тепловой обработке таким образом, чтобы все патогенные микроорганизмы были убиты. Минимальная температура и время выдержки должны составлять 15 секунд при 72°С.

• Регистрация

Температура нагрева должна регистрироваться автоматически, а записи должны сохраняться в течение предписанного периода времени.

• Очистка перед тепловой обработкой

Так как молоко часто содержит твердые частицы, такие как частицы грязи, лейкоциты (белые кровяные тельца), и соматические клетки (ткани вымени), его необходимо очистить. Поскольку пастеризация наименее эффективна, если микроорганизмы защищены хлопьями и частицами, присутствующими в молоке, то очистка должна осуществляться перед
нагреванием. Молоко может быть очищено с помощью фильтров или,
что наиболее эффективно, сепараторов-молокоочистителей.

• Предупреждение повторного бактериального обсеменения
Теплообменники должны рассчитаться таким образом, чтобы обеспечивать
более высокое давление со стороны потока пастеризованного молока по
сравнению с не пастеризованным молоком и сервисными средами. Если

в теплообменнике происходит утечка, пастеризованное молоко может попасть
в сырое молоко или охлаждающую жидкость, но не наоборот. Для обеспечения
этого требования, часто требуется вспомогательный насос, создающий
разницу давлений, причем в некоторых странах он является обязательным.

В случае падения температуры пастеризованного продукта вследствие
временного дефицита нагревающей среды в состав установки должен быть включен
клапан обратного потока для возврата недостаточно прогретого молока
в балансный танк.

В соответствии с предписаниями, установленными странами Европейского сообщества, оборудование для тепловой обработки должно быть одобрено или разрешено к применению компетентными органами и снабжено по крайней мере следующим:

• Автоматическим регулятором температуры

• Регистрирующим термометром

• Автоматическим предохранительным устройством для предотвращения недостаточного нагрева

• Соответствующей системой, предохраняющей от смешивания, пастеризованного или стерилизованного молока с не полностью прогретым молоком

• Устройством автоматической регистрации для предохранительной системы, указанной в предыдущем пункте

Состав оборудования

Для дистанционного управления процессом требуется следующее
оборудование:

• Башенные танки для хранения сырого молока

• Пластинчатый теплообменник для нагревания и охлаждения, труба выдержки
и узел горячей воды

• Центробежный молокоочиститель (в данном примере при переработке
цельного молока центробежный сепаратор не требуется)

• Промежуточный танк для временного хранения перерабатываемого молока

• Трубопроводы и фитинги для соединения основных элементов оборудования
и пневматические клапаны для управления процессом и распределения
потоков продукта и моющих жидкостей

• Насосы для транспортировки молока через все производственные
помещения завода

• Оборудование для управления производительностью участка, температурой
пастеризации и положением клапанов

• Различные вспомогательные системы:

— подача воды

— производство пара

— охлаждение хладагента

— сжатый воздух для пневматических систем

— электроснабжение

— системы дренажа и сточных вод.

Требования к сервисным средам рассчитываются после согласования проекта
завода. Так, должна быть известна температурная программа пастеризации,
а также спецификации для всех прочих рабочих зон. где требуется нагревание
или охлаждение (хранение при пониженных температурах, системы мойки, и т.д.),
еще до определения количества и мощности электрооборудования, количества
пневматических узлов, графика рабочего времени производства и т.д. Подобные
расчеты в настоящей книге не представлены.

Выбор оборудования

Резервуары

Количество и емкость резервуаров определяются графиками поставки молочного сырья, графиками и объемом каждой партии. Для непрерывной работы завода без остановок, вызванных недостатком сырья, необходимо обеспечить 7-часовые поставки сырого молока.

Желательно, чтобы молоко было выдержано по меньшей мере 1-2 часа до начала процесса переработки, так как за это время происходит процесс естественной деаэрации молока. Допускается кратковременное перемешивание, хотя в действительности оно является необходимым лишь в течение 5-10 минут перед подачей для равномерного распределения составляющих молока.

Это позволяет избежать нарушения процесса естественной деаэрации.

Пластинчатый теплообменник

Основной целью пастеризации молока является уничтожение патогенных микроорганизмов. Для ее достижения молоко обычно нагревают до температуры не ниже 72°С и выдерживают при этой температуре в течение по меньшей мере 15 секунд, а затем быстро охлаждают. Эти параметры законодательно утверждены во многих странах.

Если известны требуемые режимы тепловой обработки, можно рассчитать параметры пластинчатого теплообменника. В настоящем примере эти параметры будут таковы:

• Производительность завода 20 000 л/ч

• Температурная программа 4°С — 72°С — 4°С

• Эффект регенерации 94%

• Температура теплоносителя 74-75°С

• Температура хладагента +2°С.

Также необходимо рассчитать и потребность во вспомогательных средах (пар, вода и ледяная вода), так как это существенно влияет на выбор кранов для регулировки подачи пара и ледяной воды.

Входные и выходные трубопроводы для продукта и сервисных сред могут располагаться как на боковых поверхностях пластинчатого теплообменника (раме, прижимной плите), так и на соединительных пластинах между его секциями. Входные и выходные соединения могут быть ориентированы вертикально и горизонтально. 

Системы подогрева горячей водой

В пастеризаторах в качестве нагревающих сред могут использоваться горячая вода или насыщенный пар при атмосферном давлении. Однако горячий пар не применяется для этой цели из-за большой разницы в температурах. Наиболее часто используемым теплоносителем, следовательно, является горячая вода с температурой примерно на 2-3° С выше, чем требуемая температура продукта.

Пар подается из бойлера молочного завода под давлением 600-700 кПа (6-7 бар). Этот пар используется для нагрева воды, которая, в свою очередь, нагревает продукт до температуры пастеризации.

Водонагреватель, представленный на рис.2. является замкнутой системой, состоящей из специально спроектированного компактного и простого пластинчатого теплообменника батарейного типа (3). оборудованного парорегулирующим клапаном (2) и конденсационным горшком (4). Рабочее тело — вода — циркулирует в системе с помощью центробежного насоса (5) через нагреватель (3) и нагревательную секцию пастеризатора.

Функция сосуда-расширителя (7) состоит в компенсации увеличения объёма воды, которое происходит при ее нагревании. Система включает также индикаторы температуры и давления и предохранительный и вентиляционный клапаны (8).

Снимок экрана 2018-07-03 в 8.51.25
Снимок экрана 2018-07-03 в 8.51.46

Регулировка температуры

Постоянная температура пастеризации поддерживается с помощью регулятора температуры, управляющего клапаном регулировки пара (поз. 2 на рис.2). Любая тенденция к понижению температуры продукта немедленно обнаруживается датчиком в линии продукта, установленным перед трубой выдержки. При этом изменяется сигнал от датчика к регулятору, который открывает клапан регулировки пара и подает большее количество пара к воде. Это повышает температуру циркулирующей воды и останавливает падение температуры продукта.

Выдержка

Длина и размер внешней трубы выдержки рассчитываются в соответствии с известным временем выдержки и часовой производительностью завода, а также размером трубопроводов, который обычно является тем же самым, что и у всех труб пастеризационной установки. Обычно труба выдержки покрыта кожухом из нержавеющей стали для предупреждения ожогов персонала при касании трубы, а также для защиты от излучения.

Управление пастеризацией

Важно быть уверенным в том, что молоко действительно пастеризовано должным образом, прежде чем оно покинет пластинчатый теплообменник.

Если температура падает ниже 72°С, то непастеризованное молоко должно содержаться отдельно от уже пастеризованного продукта. Для осуществления этого датчик температуры и возвратный клапан установлены на трубопроводе

после трубы выдержки. Этот клапан возвращает непастеризованное молоко в балансный танк, если датчик температуры обнаружит, что проходящее молоко недостаточно нагрето.

Как уже отмечалось, продукт охлаждается главным образом с помощью регенеративного теплообмена. Максимальная практическая эффективность регенерации равна примерно 94-95%, это означает, что минимально достижимая температура при регенеративном

охлаждении равна В 9°С. Следовательно, охлаждение молока до температуры хранения 4°С требует применения хладагента с температурой около 2°С.

Если конечная температура выше 3-4° С, то единственно возможным средством является ледяная вода. Для более низких температур во избежание замерзания хладагента необходимо использовать рассолы или спиртовые растворы.

Хладагент поступает из холодильной установки завода в точку его использования, как показано на рис.4. Расход хладагента в охлаждающей секции пастеризатора регулируется с целью поддержания постоянной температуры продукта на выходе.

Это осуществляется с помощью регулирующего контура, состоящего из датчика температуры на выходной линии продукта, регулятора температуры на панели управления и регулирующего клапана на линии подачи хладагента. Положение регулирующих клапанов изменяется регулятором в ответ на сигналы датчика.

Сигнал датчика прямо пропорционален температуре продукта на выходе из пастеризатора. Этот сигнал часто подается на регистратор температуры на панели управления и регистрируется на графике совместно с температурой пастеризации и положением возвратною клапана.

Снимок экрана 2018-07-03 в 8.59.31

Вспомогательный насос для предотвращения повторного бактериального загрязнения

Необходимо принимать меры для предотвращения любой возможности загрязнения пастеризованного продукта непастеризованным продуктом или хладагентом в случае утечек в пастеризаторе, их направление всегда должно быть из пастеризованного продукта в непастеризованный или в хладагент.

Это означает, что пастеризованный продукт должен быть под более высоким давлением, чем среда с другой стороны пластин теплообменника. С этой целью вспомогательный насос (поз. 2 на рис.3) устанавливается на линии продукта после секции выдержки или перед секцией нагревания. Последнее положение минимизирует рабочую температуру насоса и продлевает срок его службы Насос увеличивает давление и поддерживает положительную разницу давлений со стороны пастеризованного продукта вдоль секций регенерации и охлаждения пастеризатора.

Установка вспомогательного насоса в некоторых странах должна производиться в соответствии с требованиями законодательства о пастеризации.

Установка для пастеризации молока

Современный молочный пастеризатор, включающий оборудование для эксплуатации, надзора и управления процессом, собирается из согласованных компонентов, образуя сложный технологический агрегат.

Балансный танк

Поплавковый входной клапан регулирует расход молока и поддерживает постоянный уровень в резервуаре. Если подача молока прерывается, уровень начинает падать.

Так как пастеризатор должен быть заполнен в любое время в процессе эксплуатации во избежание подгорания продукта на пластинах, резервуар часто снабжают электродом минимального уровня, который подает сигнал, как только уровень достигает минимальной точки. Этот сигнал включает клапан распределения потока, возвращающий продукт обратно в резервуар.

Молоко заменяется водой, пастеризатор отключается, а циркуляция продолжается еще некоторое время.

Рис.5 Установка для пастеризации включает: 1	Балансный танк 2	Подающий насос 3	Регулятор потока 4	Секции регенеративного предварительного подогрева 5	Центробежный очиститель 6	Секцию нагрева 7	Трубу выдержки 8	Вспомогательный насос 9	Систему нагрева горячей воды 10	Секции регенеративного охлаждения 11	Секции охлаждения 12	Клапан возвратный 13	Панель управления

Рис.5 Установка для пастеризации включает:
1 Балансный танк
2 Подающий насос
3 Регулятор потока
4 Секции регенеративного предварительного подогрева
5 Центробежный очиститель
6 Секцию нагрева
7 Трубу выдержки
8 Вспомогательный насос
9 Систему нагрева горячей воды
10 Секции регенеративного охлаждения
11 Секции охлаждения
12 Клапан возвратный
13 Панель управления

Подающий насос

Подающий насос подает молоко из балансного танка в пастеризатор, обеспечивая постоянный напор.

Регулятор потока

Регулятор расхода поддерживает расход через пастеризатор на должном уровне.

Это обеспечивает устойчивый контроль температуры и постоянное время выдержки для достижения требуемого эффекта пастеризации. Часто регулятор расхода размещается после первой секции регенератора.

Регенеративный предварительный подогрев

Холодное необработанное молоко нагнетается в первую секцию пастеризатора — секцию предварительного подогрева. Здесь оно подогревается с помощью регенерированного тепла пастеризованного молока, которое в то же самое время охлаждается.

Если молоко должно подвергаться обработке при температурах между входной и выходной температурами секции регенерации — например, очистке при 55°С, то секция регенерации разделяется на две части. Первая часть рассчитывается таким образом, что молоко на выходе из него имеет требуемую температуру 55°С. После очистки молоко возвращается в пастеризатор, где завершается его регенеративный предварительный подогрев во второй части секции.

Пастеризация

Окончательный нагрев до температуры пастеризации с помощью горячей воды, обычно имеющей температуру на 2-3°С выше температуры пастеризации (Dt = 2-3°С), происходит в секции нагрева. Горячее молоко подается во внешнюю трубу выдержки, после которой температура молока проверяется датчиком на этой линии. Он передает непрерывный сигнал на регулятор температуры на панели управления. Этот же сигнал передается также и на регистрирующий прибор, который записывает температуру пастеризации.

Распределение потока

Датчик после ячейки коллектора передает сигнал на контроллер температуры. Как только этот сигнал падает ниже заданного уровня, соответствующего определенной минимальной температуре, контроллер переключает возвратный клапан в положение обратного сброса.

На многих установках положение возвратного клапана регистрируется вместе с температурой пастеризации.

Для размещения возвратного клапана имеется множество решений, удовлетворяющих местным законам и правилам. Ниже приведены три возможных варианта, которые обычно используются.

1    Возвратный клапан располагается сразу после секции выдержки. Если установлен вспомогательный насос, то клапан размещается перед насосом. Если температура падает ниже заданного уровня, то клапан направляет поток обратно в балансный танк, и насос останавливается. Поток в секциях регенерации и охлаждения, таким образом, тоже останавливается (даже при отсутствии вспомогательного насоса).

Если в течение кратковременного периода повышение температуры не происходит, теплообменник опустошается, моется и дезинфицируется. Когда становится возможным нагрев до требуемой температуры, установка вновь запускается.

2    Возвратный клапан расположен после секции охлаждения установки. Вслед за падением температуры поток возвращается в балансный танк, а установка освобождается от продукта, моется и дезинфицируется. Установка готова к повторному запуску при наличии приемлемых температурных условий.

3    Возвратный клапан располагается между секцией выдержки и вспомогательным насосом. Если температура падает, клапан направляет поток в балансный танк. Вспомогательный насос не останавливается, но другие клапаны вокруг теплообменника автоматически переключаются таким образом, что молоко циркулирует в секциях регенерации

и охлаждения, поддерживая необходимое давление в установке. Это также сохраняет необходимый тепловой баланс. Когда условия нагрева становятся приемлемыми, то процесс возобновляется без промежуточной мойки.

Охлаждение

После прохождения секции коллектора молоко возвращается в секции регенерации для охлаждения. Здесь пастеризованное молоко отдает тепло поступающему холодному молоку. Выходящее пастеризованное молоко затем охлаждается холодной водой, ледяной водой, раствором гликоля или какого-либо иного хладагента в зависимости от требуемой температуры. Температура охлажденного молока обычно записывается совместно с температурой пастеризации и положением клапана распределения потока. Следовательно, на графике будут три кривые

 

Эффективность энергосберегающей регенерации в пастеризаторе молока обычно составляет 90-96%.

Снимок экрана 2018-07-03 в 9.08.07
Снимок экрана 2018-07-03 в 9.08.20
Снимок экрана 2018-07-03 в 9.08.45

Центробежный молокоочиститель

В нашем примере молоко не разделяется на сливки и обезжиренное молоко, поэтому здесь используется центробежный очиститель, представленный на рис.6.

Некоторые молочные заводы требуют центробежной очистки холодного (<6°С) сырого молока немедленно после доставки молока на завод, особенно если молоко будет храниться до следующего дня. Однако осветление при температуре около 55°С более эффективно, поскольку вязкость молока при этой температуре ниже.

В этом случае молоко, поступающее в очиститель, проходит через первую секцию регенеративного подогрева при 55° С.

Проектирование системы трубопроводов

В примере, рассматриваемом в данной главе, в процессе обработки через трубы, фитинги и технологическое оборудование необходимо пропускать 20 000 литров молока в час. Скорость движения продукта по трубам определяется сечением прохода, т.е. внутренним диаметром труб. Чем больше диаморости. который не следует превышать. Для молока эта скорость может составлять порядка 1,8 м/с.

Поэтому является обоснованным выбор труб большего диаметра, чем минимально допустимого, с учетом скорости продукта. Но большие трубы требуют больших вспомогательных компонентов, что значительно увеличивает расходы. Следовательно, выбирают диаметр трубы как можно ближе к предельному.

В нашем примере это 2,5 дюйма (63,5 мм), что соответствует скорости 1,75 м/с. как показано на рис.7.

Ламинарные и турбулентные потоки

Ламинарный поток — это такой вид потока, в котором частицы сохраняют постоянное равномерное движение по параллельным траекториям. Этот тип потока существует, например, в прямых круглых трубах или между параллельными стенками при низких скоростях.

С другой стороны, в турбулентном потоке частицы обладают хаотическим движением и интенсивно перемешиваются друг с другом.

Длина линии представляет собой среднюю скорость частиц в различных точках сечения вдоль траектории, как показано на рис.8. В ламинарном потоке скорость максимальна в центре потока. Вследствие трения между слоями скорость постепенно замедляется по направлению к стенкам, где она равна нулю.

В турбулентном потоке слои перемешиваются и. следовательно, скорость жидкости примерно одинакова в центральной части потока, но быстро падает по направлению к стенкам. У стенок очень тонкий ламинарный поток жидкости имеет нулевую мгновенную скорость.

Для получения ламинарного потока в круглой трубе ее диаметр должен быть мал, скорость низка, а вязкость жидкости высока.

Гидравлическое сопротивление

Каждый элемент линии оказывает сопротивление потоку при нагнетании жидкости по системе трубопроводов. В прямых трубах сопротивление обусловлено трением между жидкостью и стенками. В изгибах возникает дополнительное трение из-за изменения направления движения жидкости. Точно так же изменение направления потока жидкости и сечения приводит к возникновению трения в фитингах, клапанах и технологическом оборудовании. Величина этого сопротивления зависит от скорости жидкости в системе.

Сопротивление каждого элемента линии можно получить исходя из коэффициента сопротивления, заданного изготовителем. Затем может быть рассчитано полное сопротивление линии путем умножения суммы коэффициентов на квадрат скорости потока и делением результата на 2q (q- ускорение свободного падения = 9,81 м/с2).

Пример: Скорость продукта в системе трубопроводов равна 1,75 м/с (диаметр труб 2,5 дюйма и расход 20 000 литров/час). Сумма коэффициентов сопротивления равна 190. Гидравлическое сопротивление будет равно:

Снимок экрана 2018-07-03 в 15.15.02

Гидравлическое сопротивление выражается в единицах столба жидкости, необходимого для компенсации падения давления вследствие сопротивления. Этот способ выражения сохранился с тех времен, когда первоначальным применением насосов было поднятие воды с низшего уровня на более высокий, например, из рудничной шахты на поверхность. Производительность насоса определялась высотой, на которую он мог поднять воду. В нашем случае полное сопротивление в системе трубопроводов эквивалентно работе, производимой насосом, поднимающим воду по вертикали на высоту 30 метров.

Это также означает, что столб воды высотой 30 метров будет производить давление, достаточное для преодоления сопротивления потока, как показано на рис.9.

Снимок экрана 2018-07-03 в 15.17.25
Снимок экрана 2018-07-03 в 15.20.02
Снимок экрана 2018-07-03 в 15.20.37

Падение давления

Гидравлическое сопротивление отдельного элемента приводит к падению давления. Если давление измеряется с помощью датчика давления (рис.10) до и после данного элемента, то со стороны выхода давление будет ниже. Данный элемент — например, отсечной клапан вызывает падение давления на линии.

Это падение давления, измеряемое высотой жидкостного столба, эквивалентно гидравлическому сопротивлению данного элемента, а его величина зависит от скорости, иными словами, от расхода и размера труб.

Падение давления на отдельном элементе вместо коэффициентов сопротивления часто представляют как снижение столба в метрах для различного расхода. На графике (рис.11) представлены расходы от 5000 литров в час для наименьших диаметров труб 1,5 дюйма (38 мм) до 200 000 литров в час для наибольших — 4-дюймовых (101,6 мм) — отсечных клапанов.

Для расхода 20 000 литров/час и размера трубы 2,5 дюйма (63,5 мм) и скорости 1,75 м/с график указывает падение давления, или снижение столба на 0.4 м при полностью открытом клапане.

Падение давления на каждом элементе линии при данном расходе может быть определено аналогичным образом. Эти величины, сложенные вместе, дают полное падение давления в системе.

Каждый элемент линии необходимо выбирать так. чтобы он создавал минимально возможное падение давления. Падение давления приводит к росту скорости потока либо в виде турбулентности, либо в виде местных ускорений на поверхностях труб и другого оборудования, а также повышенные нагрузки в изгибах и т.п. Это приводит к возрастанию степени механической обработки продукта.

При обработке молока — это может привести к разрушению жировых шариков, и освобожденный жир может подвергнуться воздействию фермента липазы. Образующиеся в значительном количестве свободные жирные кислоты отрицательно влияют на вкусовые качества молока. Данная проблема усугубляется, если механическая обработка продукта осуществляется в присутствии воздуха. Это может иметь место при наличии подсоса воздуха через неплотные соединения. Для других продуктов — например, йогурта — обработка продукта должна быть особенно мягкой. Повышенное внимание необходимо уделять при выборе элементов, при расчете и проектировании технологической линии.

Размер трубопроводов системы должен быть таким, чтобы скорость жидкости не превосходила критическое значение для данного продукта (1,8 м/с для молока, более низкие — для некоторых других молочных продуктов). Количество клапанов на линии должно быть минимальным, и падение давления на них должно быть, как можно меньше. Они должны быть размещены таким образом, чтобы избежать ненужных изменений направления.

Оборудование технологического контроля

Для обеспечения бесперебойной работы и достижения требуемого качества продукта необходимо поддерживать технологические параметры, такие как уровень жидкостей,

расход температура, давление, концентрация и значение активной кислотности рН на определенных заданных уровнях. Оборудование для отслеживания и управления этими параметрами включает различные типы датчиков, регуляторов и управляющего оборудования.

На рис.12 показан контур управления.

Снимок экрана 2018-07-03 в 18.01.20

Датчик представляет собой чувствительный элемент, который измеряет текущее значение параметра. Устройство и функции датчика могут быть различными в зависимости от требований. Примерами могут служить датчики температуры,

давления и кислотности рН. Датчик преобразует измеренную величину в пневматический или электрический сигнал соответствующей силы. Этот сигнал передается на регулятор, который получает текущее значение параметра. Эта величина называется измеренной величиной.

Устройство управления обычно является регулирующим устройством. Оно смонтировано на технологической линии и может представлять собой насос с переменной производительностью или регулирующий клапан. Программирование регулирующего устройства — частота вращения мотора или положение заслонки клапана — определяется значением параметра, который он регулирует. На управляющее устройство от регулятора непрерывно поступает сигнал (пневматический или электрический), а величина этого сигнала определяет параметры управляющего устройства.

Регулятор является «мозгом» системы управления. Он получает сигнал отдатчика и, таким образом, непрерывно информируется о текущем значении регулируемого параметра. Затем регулятор сравнивает это значение с заданным.

Установка регулятора является правильной, если эти две величины совпадают.

Если текущее значение измеряемой величины изменяется, то сигнал от датчика изменяется соответственно. Теперь текущее значение не равно требуемой величине, и регулятор соответствующим образом изменяет свой сигнал для управляющего устройства. В результате изменяется задаваемый параметр управляющего устройства (скорость или положение клапана). Датчик немедленно чувствует изменение значения и передает эту информацию контроллеру. Этот цикл сравнения и регулировки — цепь управления — повторяется до тех пор. пока измеряемое значение параметра вновь не станет равным заданной величине.

Датчики

Датчики в системах управления существенно различаются по назначению и принципу работы. Некоторые датчики прямо реагируют на изменения значения измеряемой величины.

В датчике давления на рис.13 давление продукта на мембрану передается через капиллярную трубку на датчик. Датчик передает электрический сигнал, который прямо

пропорционален давлению продукта. Регулятор поплавкового типа, часто используемый в резервуарах, является другим примером непосредственно регулирующего устройства.

Однако большинство датчиков действует опосредованно. Они измеряют изменения другой физической величины, зависимой от регулируемой величины.

Этот тип датчиков был рассмотрен ранее в связи с транспортировкой жидкости по линии. Требуемый расход поддерживается с помощью измерения давления продукта на выходе из насоса и сохраняется постоянным.

Вышеупомянутый датчик давления может быть также использован для измерения уровня в резервуаре. При установке на дне резервуара он измеряет статическое давление столба жидкости над диафрагмой. Это давление пропорционально толщине слоя жидкости. Электрический сигнал передается на прибор, указывающий уровень.

Принцип работы многих типов датчиков основан на применении электрического сопротивления металлов в зависимости от температуры. Одним из таких датчиков является обычный датчик температуры, рис.14. Проволока из платины, никеля или другого металла закреплена в защитной трубке, которая встроена в линию так, что она нагревается жидкостью. В таблице 1 приведены значения сопротивления платиновой проволоки при различных температурах.

Это сопротивление может быть измерено путем включения проволоки в электрическую цепь. Любое изменение сопротивления будет соответствовать известному изменению температуры, и таким образом температура продукта может быть определена. Вышеописанные датчики используются на молочных заводах наиболее часто. Однако имеется и множество других типов.

Снимок экрана 2018-07-03 в 18.05.18
Снимок экрана 2018-07-03 в 18.05.44

Регуляторы

Регулятор, представленный на рис.15, является мозгом системы управления температурой и может существовать в различных исполнениях. В соответствии с предыдущим определением это устройство, которое непрерывно сравнивает текущее значение измеряемой величины со стандартом или заданной величиной. Любая разница приводит к тому, что регулятор передает корректирующий сигнал на узел управления, который соответственно изменяет свои параметры. Процесс коррекции продолжается до тех пор, пока измеренная величина вновь не совпадет с заданной.

Регулятор может быть пневматического или электрического типа. Если датчик пневматический, а регулятор электрический или наоборот, то сигналы должны проходить через электронно-пневматический преобразователь.

На обычных регуляторах имеется ручка установки задаваемой величины, которая указывается стрелкой на шкале. На этой шкале всегда может быть прочитана измеряемая величина, полученная с выхода датчика. Имеется также шкала, показывающая выходной сигнал на регулирующее устройство.

При установке на автоматическую работу прибор не нуждается в ручной регулировке. Его можно переключить на ручное управление, и тогда работать с помощью ручек управления. Значение параметра, заданное на регуляторе, указывается на шкале выходного сигнала.

Некоторые регуляторы выполняют функцию переключателя. Это означает, что они могут быть запрограммированы на выдачу сигнала при заданном максимальном или минимальном значении. Этот сигнал может быть усилен и использован для внесения изменений в процесс.

В нашем процессе мы хотели переключить возвратный клапан в положение обращения потока, если температура на выходе из секции выдержки теплообменника упадет ниже 72°С. Обычно для отслеживания температуры пастеризации используется отдельный переключатель.

Этот переключатель соединен с регулятором температуры и передает сигнал через встроенное реле, если температура падает ниже заданной величины. Если этот переключатель отрегулирован на включение при 71,9° С, он выдаст сигнал, как только температура упадет до этого значения. Этот сигнал через контроллер передается на соленоидный клапан, который управляет подачей воздуха на возвратный клапан. Соленоидный клапан прерывает подачу воздуха, и клапан переключается с «прямого потока» на «обратный поток»

Снимок экрана 2018-07-03 в 18.05.57
Снимок экрана 2018-07-03 в 18.09.57

Регулирующее устройство

Значение рассматриваемой величины определяется значением параметра, задаваемым регулятором для регулирующего устройства. Регулирующим устройством может служить насос с переменной скоростью. В этом случае выходной сигнал с регулятора изменяет скорость насоса так, чтобы обеспечить требуемый расход. Однако на большинстве типовых молочных заводов регулирующими устройствами являются регулирующие клапаны.

Пневматический регулирующий клапан, представленный на рис.16, состоит из корпуса с седлом для заслонки, которая прикреплена к нижнему концу стержня. Клапан перемещается между открытым и закрытым положениями, регулируя разницу давлений между верхней и нижней сторонами поршня. Привод снабжен поршнем двустороннего действия. Когда давление на нижней стороне выше, поршень движется вверх, поднимая заслонку с ее седла. Более высокое давление на верхней стороне поршня закрывает клапан.

В основном процесс происходит следующим образом: пневматический сигнал от регулятора поступает на пропорциональное устройство — позиционер — на верхней стороне поршня. Это устройство обеспечивает такое положение заслонки относительно седла, которое всегда пропорционально силе сигнала от регулятора. Если сигнал соответствует заданной величине, то позиционер выравнивает давления по обеим сторонам поршня таким образом, что положение заслонки остается постоянным. В этом уравновешенном положении падение давления на клапане в точности соответствует требуемому, а измеряемая величина, регистрируемая датчиком, совпадает с заданной величиной.

Если давление продукта падает, то датчик ослабляет сигнал на регулятор. Поскольку измеренное значение больше не совпадает с заданным значением, регулятор реагирует на это, увеличивая сигнал на пусковое устройство клапана. Тогда позиционер поднимает давление на верхней стороне, перемещая заслонку по направлению к седлу. Вызванное увеличение гидравлического сопротивления в клапане повышает давление продукта и запускает обратный цикл операций, замедляющий движение поршня вниз. Когда давление в линии достигнет заданной величины, позиционер вновь поддерживает состояние равновесия поршня клапана.

В системе автоматического управления температурой термометром является датчик температуры резистивного типа, встроенный в технологическую линию. Регулирующим устройством служит пневматический клапан в линии пара. Он управляется пневматическим регулятором, расположенным на панели управления процессом. Требуемое значение задается на регуляторе, который затем через клапан регулирует