Научно-технические основы разработки установки с индукционным нагревом для пастеризации молока
Аннотация
Введение. Индукционный нагрев является одной из предпочтительных технологий нагрева для промышленных, медицинских и бытовых систем, поскольку имеет ряд преимуществ перед традиционными методами передачи тепла. К достоинствам относятся энергоэффективность, быстрота нагрева, безопасность, чистота процесса, малая металлоемкость, а также простота конструкции и точный контроль температуры нагреваемого сырья. Особенно актуальна установка с индукционным нагревом для фермерских хозяйств, перерабатывающих молоко и производящих различные продукты на его основе.
Цель исследования. Создание установки длительной пастеризации молока с использованием нагреваемой индукционными токами емкости, а также подбор оптимальных условий работы созданного прототипа.
Материалы и методы. Для разработки основных узлов прототипа установки пастеризации молока с индукционным нагревом было применено 3D-моделирование в системе автоматизированного проектирования «КОМПАС-3D». Емкость для сырья, мешалка и крышка изготовлены из нержавеющих сталей марок AISI 304 и AISI 430. Индуктор представляет собой каркас из полимерного материала со спиралевидно расположенным в нем литцендратом. Корпус прототипа установки изготовлен из алюминиевого композитного материала. Разработка и отладка электронной схемы силовой части прототипа устройства проводилась в программе для проектирования Proteus 7.10. Для изготовления силовой части блока генерации электромагнитной индукции использовался микроконтроллер Mega 2560. Контроль регулируемой температуры осуществлялся с помощью водонепроницаемого датчика температуры DS18B20. Для визуализации распространения теплового поля по поверхности стенок емкости применялся тепловизор.
Результаты исследования. Приведен внешний вид схемы прототипа разрабатываемого устройства длительной пастеризации молока с индукционным нагревом объемом 75 л. Дано обоснование в составе установки необходимых элементов и исполнительных механизмов для пастеризации молока в емкости, нагреваемой индукционными токами. Приведены схема разработанной силовой части установки и результаты ее испытаний при нагреве емкостей из различных материалов. Также в результате данного исследования разработан алгоритм для управления работой и PID-регулирования процесса пастеризации молока в экспериментальной установке на базе микрокомпьютера Raspberry Pi. Приведены графики переходных процессов при изменении коэффициентов PID-регулирования температуры.
Обсуждение и заключение. В ходе испытаний принципа индукционного нагрева на нержавеющих сталях разного состава сделан вывод, что для эффективности нагрева емкости необходима накладка из ферромагнитной стали, навариваемая поверх основной емкости из пищевой нержавеющей стали. Разработанная система индукторов позволила создать прототип установки с двумя зонами нагрева в зависимости от объема обрабатываемого сырья, что актуально для малых крестьянских фермерских хозяйств, занимающихся переработкой молока и производством продуктов питания на его основе.
Литература
2. Ультразвуковая обработка жидких сред / Г. Н. Самарин [и др.] // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 5. С. 41–45. EDN: YLSEGX
3. Кузьмичев А. В. Модульная установка инфракрасным, ультрафиолетовым облучением и ультразвуковой обработкой жидкости с активным теплообменником // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 4 (33). С. 290–298. EDN: ARGLTA
4. Infrared Radiation Favorably Influences the Quality Characteristics of Key Lime Juice / A. B. Altemimi [et al.] // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, Issue 6. Article no. 2842. https://doi.org/10.3390/app11062842
5. A Novel Continuous Hydrodynamic Cavitation Technology for the Inactivation of Pathogens in Milk / X. Sun [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 71. Article no. 105382. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105382
6. Comparison Between Thermal Pasteurization and High Pressure Processing of Bovine Skim Milk in Relation to Denaturation and Immunogenicity of Native Milk Proteins / D. Bogahawaththa [et al.] // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018. Vol. 47. P. 301–308. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.03.016
7. Tigabe S., Bekele A., Pandey V. Performance Analysis of the Milk Pasteurization Process Using a Flat Plate Solar Collector // Journal of Engineering. 2022. Vol. 2022. Article no. 6214470. https://doi.org/10.1155/2022/6214470
8. Ansari A., Parmar K., Shah M. A Comprehensive Study on Decontamination of Food-Borne Microorganisms by Cold Plasma // Food Chemistry: Molecular Sciences. 2022. Vol. 4. Article no. 2100098. https://doi.org/10.1016/j.fochms.2022.100098
9. Pulsed Electric Field: a Potential Alternative Towards a Sustainable Food Processing / R. N. Arshad [et al.] // Trends in Food Science & Technology. 2021. Vol. 111. P. 43–54. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.02.041
10. Pegu K., Arya S. S. Non-thermal Processing of Milk: Principles, Mechanisms and Effect on Milk Components // Journal of Agriculture and Food Research. 2023. Vol. 14. Article no. 100730. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2023.100730
11. Optimal Design of High-Frequency Induction Heating Apparatus for Wafer Cleaning Equipment Using Superheated Steam / S. M. Park [et al.] // Energies. 2020. Vol. 13, Issue 23. Article no. 6196. https://doi.org/10.3390/en13236196
12. Induction Heating Technology and Its Applications: Past Developments, Current Technology, and Future Challenges / O. Lucia [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014. Vol. 61, Issue 5. P. 2509–2520. https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2281162
13. Current Applications and Challenges of Induced Electric Fields for the Treatment of Foods / L. Zhang [et al.] // Food Engineering Reviews. 2022. Vol. 14. P. 491–508. https://doi.org/10.1007/s12393-022-09314-2
14. Li L., Mi G., Wang C. A Comparison Between Induction Pre-heating and Induction Post-heating of Laser-induction Hybrid Welding on S690QL Steel // Journal of Manufacturing Processes. 2019. Vol. 43. P. 276–291. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.05.003
15. Investigation of the Effect of Induction Heating on Asphalt Binder Aging in Steel Fibers Modified Asphalt Concrete / H. Li [et al.] // Materials. 2019. Vol. 12, Issue 7. Article no. 1067. https://doi.org/10.3390/ma12071067
16. Каунова Л. М. Обоснование конструктивных параметров индукционного нагревателя для пастеризации молока // АгроЭкоИнженерия. 2022. № 3 (112). С. 141–148. https://doi.org/10.24412/2713-2641-2022-3112-141-148
17. Обоснование параметров конструктивных элементов индукционнного нагревателя для пастеризации молока в потоке / С. В. Соловьев [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (75). С. 100–103. EDN: YXZMVV
18. Bagaev А, Bobrovskiy О. Electrotechnological Heat Treatment of Milk: Energy and Exergy Efficiency // Food Processing: Techniques and Technology. 2023. Vol. 53, Issue 2. P. 272–280. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-2-2428
19. Başaran A., Yilmaz T., Çivi C. Energy and Exergy Analysis of Induction-Assisted Batch Processing in Food Production: a Case Study-Strawberry Jam Production. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. Vol. 140. P. 1871–1882. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08931-0
20. Application of Induced Electric Field for Inner Heating of Kiwifruit Juice And its Analysis / C. He [et al.] // Journal of Food Engineering. 2021. Vol. 306, Issue 12. Article no. 110609. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110609
21. Inactivation of Escherichia Coli O157:H7 in Apple Juice Via Induced Electric Field (IEF) And its Bactericidal Mechanism / S. Wu [et al.] // Food Microbiology. 2022. Vol. 102. Article no. 103928. https://doi.org/10.1016/j.fm.2021.103928
22. Pasteurization of Guava Juice Using Induction Pasteurizer and Optimization of Process Parameters / C. Lamo [et al.] // LWT. 2019. Vol. 112. Article no. 108253. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2019.108253
23. Başaran A., Yılmaz T., Çivi C. Application of Inductive Forced Heating as a New Approach to Food Industry Heat Exchangers // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2018. Vol. 134. P. 2265–2274. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7250-7
24. Wang G., Wan Z., Yang X. Induction Heating by Magnetic Microbeads for Pasteurization of Liquid Whole Eggs // Journal of Food Engineering. 2020. Vol. 284. Article no. 110079. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110079
25. Comparison of Drinking Milk Production with Conventional and Novel Inductive Heating in Pasteurization in Terms of Energetic, Exergetic, Economic and Environmental Aspects / A. Başaran [et al.] // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 317, Issue 1. Article no. 128280. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128280
26. Development of an Innovative Induction Heating Technique for the Treatment of Liquid Food: Principle, Experimental Validation and Application / S. Wu [et al.] // Journal of Food Engineering. 2020. Vol. 271. Article no. 109780. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.109780
27. Induction Heating as Cleaner Alternative Approach in Food Processing Industry / R. A. Razak [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1878. Article no. 012053. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1878/1/012053
28. A Flexible Cooking Zone Composed of Partially Overlapped Inductors / J. Serrano [et al.] // IEEE Trans. Ind. Electron. 2018. Vol. 65, Issue 10. P. 7762–7771. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2801815
29. Jibril M., Tadese M., Alemayehu E. Temperature Control of Stirred Tank Heater using Optimal Control Technique // ScienceOpen Preprints. 2020. https://doi.org/10.14293/S2199-1006.1.SOR-.PPVT203.v1
30. Optimization of Pid Control Parameters with Genetic Algorithm Plus Fuzzy Logic in Stirred Tank Heater Temperature Control Process / N. I. Septiani [et al.] // 2017 International Conference on Electrical Engineering and Computer Science (ICECOS). 2017. P. 61–66. https://doi.org/10.1109/ICECOS.2017.8167167
31. Divya Priya A. V., Tamilselvan G. M., Rajesh T. Real Time Implementation of Fuzzy Based PID Controller Tuning forContinuous Stirred Tank Heater (CSTH) Process // Journal of Fuzzy Systems. 2018 Vol. 10, Issue 3. P. 78–81. URL: https://www.i-scholar.in/index.php/CiiTFS/article/view/172673/0 (дата обращения: 01.07.2023).
32. Alamirew T., Balaji Dr. V., Gabbeye N. Comparison of PID Controller with Model Predictive Controller for Milk Pasteurization Process // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2017. Vol. 6, Issue 1. P. 24–35. https://doi.org/10.11591/eei.v6i1.575
33. Hariyadi E., Singgih H. Optimization of Pid Controler In Temperature Control System Processes Pasteurization of Milk // American Journal of Engineering Research (AJER). 2017. Vol. 6, Issue 9. P. 175–187. URL: https://www.ajer.org/papers/v6(09)/V0609175187.pdf (дата обращения: 01.07.2023).
34. Induction Heating in Domestic Cooking and Industrial Melting Applications: A Systematic Review on Modelling, Converter Topologies and Control Schemes / P. Vishnuram [et al.] // Energies. 2021. Vol. 14, Issue 20. Article no. 6634. https://doi.org/10.3390/en14206634
