способ автоматического управления процессом обжарки кофе

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом обжарки кофе, предусматривающий измерение расхода сырого кофе, расхода и температуры теплоносителя на входе в камеру обжарки, расхода воды на увлажнение, отличающийся тем, что обжарку осуществляют перегретым паром, отработанный перегретый пар отводят в конденсатор, измеряют расход несконденсировавшихся газов на выходе из конденсатора, измеряют температуру и влажность сырого кофе, аэродинамическое сопротивление слоя зерен кофе на газораспределительной решетке, по расходу несконденсировавшихся газов определяют текущую величину угара кофе и осуществляют коррекцию режима управления по текущему значению конечной влажности обжаренного кофе в строго определенной последовательности, причем при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного в сторону увеличения увеличивают расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно максимального значения, например 750 Па, затем увеличивают температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно максимального значения, например 19%, далее уменьшают расход воды для увлажнения до предельно минимального значения, например 2210^-6 м³/с, а затем уменьшают расход сырого кофе, а при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе в сторону уменьшения уменьшают расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно минимального значения, например 240 Па, далее уменьшают температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно минимального значения, например 10%, затем увеличивают расход воды для увлажнения до достижения предельно минимального значения, например, 3310^-6 м³/с, и увеличивают расход сырого кофе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к автоматизации процессов переработки пищевых концентратов, и может быть использовано для обжарки различных видов пищевых продуктов, например зерен кофе, ячменя и др.

Известен способ автоматического управления обжарочным аппаратом системы "Рапидо", предусматривающий измерение расхода сырого кофе, расхода и температуры теплоносителя на входе в камеру обжарки, расхода воды на увлажнение. [Бачурская Л.Д., Гуляев В.Н. Пищевые концентраты, М., "Пищевая промышленность", 1976, -с.296-298].

Недостатками известного способа является невозможность регулирования и поддержания тепловлажностного режима в заданных пределах и, как следствие, сложность получения обжаренного кофе высокого качества.

Технической задачей изобретения является улучшение качества готового продукта и повышение эффективности процесса за счет автоматического поддержания оптимальных режимов обработки продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе автоматического управления процессом обжарки кофе, предусматривающем измерение расхода сырого кофе, расхода и температуры теплоносителя на входе в камеру обжарки, расхода воды на увлажнение, новым является то, что обжарку осуществляют перегретым паром, отработанный перегретый пар отводят в конденсатор, измеряют расход несконденсировавшихся газов на выходе из конденсатора, измеряют температуру и влажность сырого кофе, аэродинамическое сопротивление слоя зерен кофе на газораспределительной решетке, по расходу несконденсировавшихся газов определяют текущую величину угара кофе и осуществляют коррекцию режима управления по текущему значению конечной влажности обжаренного кофе в строго определенной последовательности, причем при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного в сторону увеличения увеличивают расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно максимального значения, например 750 Па, затем увеличивают температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно максимального значения, например 19%, далее уменьшают расход воды для увлажнения до предельно минимального значения, например 2210^-6 м³/с, а затем уменьшают расход сырого кофе, а при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе в сторону уменьшения уменьшают расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно минимального значения, например 240 Па, далее уменьшают температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно минимального значения, например 10%, затем увеличивают расход воды для увлажнения до достижения предельно минимального значения, например 3310^-6 м³/с, и увеличивают расход сырого кофе.

На чертеже представлена схема предлагаемого способа автоматического управления процессом обжарки кофе.

Схема содержит камеру обжарки 1 с наклонной газораспределительной решеткой, пароперегреватель 2, вентилятор 3, конденсатор отработанного теплоносителя 4, линии: 5 подачи сырого кофе в камеру обжарки, 6 отвода обжаренного кофе из камеры, 7 подготовки теплоносителя (перегретого пара), 8 подачи воды в камеру обжарки на увлажнение зерен кофе, 9 отвода из камеры обжарки отработанного теплоносителя (перегретого пара), 10 отвода несконденсировавшихся газов из конденсатора, 11 отвода воды (конденсата) из конденсатора, 12 подачи хладагента в конденсатор, датчики 13-16 соответственно расхода сырого кофе, расхода исходного теплоносителя, расхода воды для увлажнения кофе, расхода несконденсировавшихся газов, датчики 17 и 18 температуры сырого кофе и исходного теплоносителя соответственно, датчики 19 и 20 влажности сырого и обжаренного кофе соответственно, датчики 21 и 22 давления под газораспределительной решеткой и над нею, микропроцессор 23, исполнительные механизмы 24-27, (а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к - входные каналы управления, л, м, н, о - выходные каналы управления).

Способ управления осуществляется следующим образом.

По измеренным значениям расхода, температуры и влажности сырого кофе датчиков 13, 17 и 19 соответственно, установленных в линии 5, микропроцессор 23 устанавливает заданный расход и температуру теплоносителя (перегретого пара) с помощью исполнительных механизмов 25 и 26 в линии 7, а также заданный расход воды в линии 8 для увлажнения зерен кофе в камере обжарки с помощью исполнительного механизма 27. По ходу процесса обжарки с помощью датчика 20 непрерывно измеряют текущее значение конечной влажности обжаренного кофе, по которому осуществляют коррекцию режима управления в строго определенной последовательности по четырем уровням.

На первом уровне управления при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе, измеряемого датчиком 20, от заданного максимально возможного значения 7%, в сторону увеличения микропроцессор 23 с помощью исполнительного механизма 25 увеличивает расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно максимального значения, например 750 Па, что фиксируется с помощью датчиков давления 21 и 22 в камере обжарки. При увеличении аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе выше предельно максимального значения 750 Па будет происходить унос зерен кофе из камеры обжарки вместе с отработанным теплоносителем, что нежелательно.

При отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного минимально возможного значения 4% в сторону уменьшения микропроцессор 23 с помощью исполнительного механизма 25 уменьшает расход перегретого пара до достижения аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе предельно минимального значения, например 240 Па. Дальнейшее снижение аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе ниже предельно минимального значения 240 Па нецелесообразно, так как обрабатываемый слой зерен кофе из псевдоожиженного состояния переходит в плотный, что существенно ухудшает эффективность протекания процесса обжарки.

Информация о текущем значении аэродинамического сопротивления слоя зерен кофе на газораспределительной решетке, получаемая с помощью датчиков 21 и 22, используется как ограничение на расход перегретого пара. Если изменение расхода перегретого пара не обеспечило достижения текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного значения, то режим управления осуществляют по второму уровню.

Второй уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного значения путем воздействия на температуру перегретого пара в линии 7. Информация о текущем значении конечной влажности обжаренного кофе, измеряемая датчиком 20, подается в микропроцессор 23, который формирует сигнал рассогласования текущего значения конечной влажности с заданным значением (4...7%) и с помощью исполнительного механизма 26 воздействует на мощность пароперегревателя 2. При текущем значении конечной влажности обжаренного кофе выше заданного микропроцессор увеличивает температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно максимального значения, например 19%, а при текущем значении конечной влажности обжаренного кофе ниже заданного уменьшает температуру перегретого пара до достижения угара кофе предельно минимального значения, например 10%. Изменение температуры перегретого пара осуществляют в интервале значений 593. ..633 К, что обусловлено как энергетической целесообразностью процесса, так и качеством обжаренного кофе. Информация о текущем значении угара кофе, получаемая посредством датчика 16, используется в качестве ограничения, накладываемого на температуру перегретого пара.

Если изменение температуры перегретого пара в заданных пределах (593... 633 К) не обеспечило достижение текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного значения (4. ..7%), то режим управления процессом обжарки осуществляют по третьему уровню, предусматривающему изменение расхода воды для увлажнения зерен кофе в камере обжарки.

Необходимость увлажнения кофе объясняется следующими соображениями. Во время обжарки влажность зерен кофе обычно снижается до 2,6...2,5%. Переработка такого кофе приводит к сильному дроблению зерна и образованию пылевидной фракции, что нежелательно для последующей экстракции. Только при влажности 4...7% зерно становится более пластичным и дробится без мучели. Увлажнение позволило повысить содержание кафеоля до 2,0% за счет уменьшения величины угара.

На третьем уровне управления при отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного (4...7%), что фиксируется с помощью датчика 20, микропроцессор 23 с помощью исполнительного механизма 27 воздействует на расход воды в линии 8 для увлажнения зерен кофе в камере обжарки: при увеличении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе расход воды уменьшает, при уменьшении - увеличивает. Текущее значение расхода воды фиксируется датчиком 15, установленным в линии 8.

Если изменение расхода воды для увлажнения не обеспечило достижение текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного (4...7%), то режим управления процессом осуществляют по четвертому уровню.

Четвертый уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного значения воздействием на расход сырого кофе в линии 5 посредством исполнительного механизма 24.

При отклонении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного в сторону увеличения микропроцессор 23 уменьшает расход сырого кофе, а в случае отклонения текущего значения конечной влажности обжаренного кофе от заданного в сторону уменьшения увеличивает расход сырого кофе. Информация о текущем расходе сырого кофе поступает в микропроцессор с помощью датчика 13 в линии 5.

Отработанный теплоноситель отводят по линии 9 в конденсатор 4, где он конденсируется с помощью хладагента (например, рассола), конденсат (воду) отводят по линии 11, а оставшиеся несконденсировавшиеся газы (угар), являющиеся потерями при обжарке зерен кофе, отводятся по линии 10.

При достижении текущего значения конечной влажности обжаренного кофе заданного значения на одном из уровней управления коррекция режима процесса обжарки кофе на последующих уровнях не выполняется.

Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления процессом обжарки кофе по сравнению с базовым имеет следующие преимущества:

- стабилизация тепловлажностного режима в камере обжарки за счет регулируемого подвода теплоносителя и воды для увлажнения зерен кофе;

- более высокая точность поддержания технологических параметров и большая надежность системы автоматического управления процесса обжарки кофе;

- возможность последовательной подачи управляющих воздействий с учетом ограничений на управляемые переменные, обусловленных как энергетической целесообразностью процесса, так и качеством обжаренного кофе;

- оптимальность коррекции режима обжарки кофе путем организации функционирования уровней управления таким образом, что переход с предыдущего на последующий уровень управления происходит только после того, как первый исчерпает свой собственный ресурс, т.е. выйдет на верхнюю или нижнюю границу заданных ограничений;

- снижение потерь массы кофе при обжаривании (угар) с 13...20 до 10... 19%;

- получение продукта с более высокой конечной влажностью 5...6% вместо прежних 2,0. ..2,5%, что позволило уменьшить образование пылевидной фракции при последующем измельчении и способствовать более интенсивному протеканию процесса экстракции.