Моделирование процессов в многоассортиментном и многооперационном комплексе производства хлебобулочных изделий

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МНОГОАССОРТИМЕНТНОМ И МНОГООПЕРАЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Косачёв Вячеслав Степанович
Официальные оппоненты:	Шаззо Рамазан Измаилович доктор технических наук, профессор, директор ГНУ Краснодарского научно-исследовательского института хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСН;
	Шахов Сергей Васильевич доктор технических наук, доцент, профессор кафедры машин и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО Воронежского государственного университета инженерных технологий.
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Защита состоится « 02 » июля 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г.Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Автореферат диссертации разослан « 01 » июня 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент М.В. Филенкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основой эффективно работающего производства является выпуск конкурентоспособной продукции в рыночных условиях. В многоассортиментном и многооперационном комплексе производства хлебобулочных изделий выпуск высококачественных продуктов широкого ассортимента производится небольшими партиями. Интенсификация и управление такими производствами представляет актуальную задачу. Динамика изменений на рынке хлебобулочных изделий при существенных ограничениях на ресурсы требует углубления научных основ, как управления, так и интенсификации потоков сырья, основных и вспомогательных материалов. Подобные системы распространены в пищевой промышленности, они имеют аналогичные проблемы, и определение путей их решения представляет актуальную научную задачу развития теории технологического потока.

Данное исследование посвящено системному подходу при моделировании процессов в многоассортиментном и многооперационном комплексе производства хлебобулочных изделий с выявлением узких мест с проведением исследований соответствующих процессов для определения путей интенсификации, как этих процессов, так и всего комплекса производства. Разработанные рекомендации содержат как технические, так и организационные предложения по совершенствованию производства с применением новых технических решений и разработанных соответствующих программных продуктов для управления производством.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры МАПП ФГБОУ ВПО «КубГТУ» на 2011-2015 г.г. (5.8.11-15) «Научное обеспечение развития процессов и оборудования пищевых производств», государственная регистрация № 01201152036.

Цель работы. Моделирование процессов в многоассортиментном и многооперационном комплексе производства хлебобулочных изделий.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи:

• определить эффективную методику оптимизации расписания технологического потока многоассортиментного и многооперационного производства хлебобулочных изделий;
• провести моделирование и оптимизацию многокритериальной задачи краткосрочного планирования работы линий производства хлебобулочных изделий, на примере реального хронометража действующего многоассортиментного и многооперационного технологического потока;
• определить чувствительность расписания хлебозавода по видам хлебопекарных изделий и установить влияние отдельных операций на эффективность работы конвейера;
• исследовать возможности совершенствования решения задачи теплопроводности для тел эллипсовидной формы;
• провести эксперименты вакуумного охлаждения хлебобулочных изделий и идентифицировать зависимости коэффициента температуропроводности от основных параметров процесса;
• провести математическое моделирование вакуумного охлаждения хлебобулочных изделий различной формы, определить эффективность и рациональные параметры процесса;
• разработать технические предложения по совершенствованию многоассортиментного и многооперационного технологического потока производства хлебопекарных изделий.

Научная новизна. Определено, что метод полного перебора с использованием матричной функции позволяет оптимизировать расписание многоассортиментного и многооперационного технологического потока производства хлебопекарных изделий; установлено, что корректное понижение размерности при решении задач трехмерной нестационарной теплопроводности возможно с использованием информации о габаритных размерах эллипсоидальных тел и факторе формы, зависящего от соотношения этих размеров; определены эффективный коэффициент температуропроводности, и интенсивность теплового стока хлебного мякиша при вакуумном охлаждении которые зависят от параметров этого процесса: остаточного давления, начальной температуры и времени охлаждения.

Получены критериальные зависимости нестационарного нерегулярного режима интенсивного вакуумного охлаждения хлебобулочных изделий; определено, что процессами испарения в глубине изделия можно пренебречь, что существенно упрощает дальнейшее моделирование процессов в многоассортиментном и многооперационном комплексе производства хлебобулочных изделий.

Практическая значимость. Разработана конструкция установки для вакуумного охлаждения хлебобулочных изделий непрерывного действия, что позволило сократить время производственного цикла и увеличить производительности линии по сравнению с первоначальной без применения вакуумного охлаждения.

Новизна технического решения подтверждена решением о выдаче патента РФ на полезную модель «Вакуум-охладитель» Заявка № 2012147352. Подано 07.11.2012 Выдано 07.05.2013.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих 3 международных научных конференциях: Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья. Мат. междунар. науч. - практ. конф. Кр-р, 2011; Материалы международной научно-технической интернет конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах «ЭПАХПП-2011». Воронеж; Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья. Мат. междунар. науч. - практ. конф. Кр-р, 2012.

Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендуемых ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 186 страницах, содержит 35 рисунков и 20 таблиц. Список использованных источников включает 103 наименования на русском и иностранных языках. На рисунке 1 представлена схема работы.

Анализ состояния процессов многоассортиментного и многооперационного комплекса производства хлебобулочных изделий

Моделирование поточной линии выпуска многоассортиментной хлебобулочной продукции

Оптимизации технологического потока многоассортиментного производства хлебобулочных изделий

Теплообмен в хлебобулочных изделиях неправильной формы

Экспериментальные исследования вакуумного охлаждения хлебобулочных изделий

Моделирование охлаждения хлебобулочных изделий различной формы

Влияние интенсификации процесса охлаждения хлебобулочных изделий на производительность многоассортиментного производства

Разработка технических предложений по совершенствованию работы поточной линии производства хлебобулочных изделий

Рисунок 1 – Структура работы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и сформулировано направление исследований.

В первой главе «Литературный обзор» проанализировано состояние технологии и техники производства хлебобулочных изделий широкого ассортимента, а также состояние исследований теплообменных процессов в материалах нерегулярной формы. Результаты обзора и анализа учтены при формулировании цели и задач исследования. В соответствии с поставленными целью и задачами разработана структура работы, представленная на рисунке 1.

Во второй главе «Моделирование поточной линии выпуска многоассортиментной хлебобулочной продукции» для построения математической модели расписаний на последовательном множестве машин была проведена оценка длительности выполнения всего объема работ по формуле:

(1)

которая позволяет определить нижнюю и верхнюю границу длительности расписаний:

	(2)
	(3)

для оценки этих вариантов использовали матричную функция W(D), позволяющую произвести расчет параметров перестановки непосредственно, не используя графического построения или программирования.

В этом случае элементы матрицы W(D), завершения работ: (wi, j) могут быть рассчитаны по формуле:

(4)

Рисунок 2 – График Ганта с ограничением на межоперационные простои

Стадиями этого процесса являются: 1 - дозирование сырья; 2 - замес теста; 3 - приготовление начинки; 4 - разделка теста на куски; 5 - отлежка теста; 6 - слоение теста; 7 - разделка на линии; 8 – укладка; 9 – расстойка; 10 – выпечка; 11 - охлаждение продукции; 12 – наполнение начинкой продукции; 13 - упаковка продукции. Выполненное моделирование показало возможность выигрыша по многим критериям при использовании оптимального расписания полученного методом полного перебора всех возможных вариантов и выделение субоптимальных вариантов в задачах целочисленной оптимизации работы многоассортиментного конвейерного производства хлебобулочных изделий.

С помощью разработанного алгоритма вращения реализованного в виде программы на языке программирования C++ определены по критерию минимума продолжительности работы линии оптимальные варианты, которые уточнены с учетом исключения межоперационных простоев (Рисунок 2).

При анализе чувствительности расписания установлено, что определяющим фактором является длительность тепловых процессов, которые с учетом интенсификации нестационарного переходного процесса могут существенно повлиять на общую эффективность работы линии (Рисунок 6).

В третьей главе «Теплообмен в хлебобулочных изделиях неправильной формы» представлены результаты моделирования охлаждения хлебных изделий, которые в общем случае близки к эллипсоидальной конфигурации, либо представляют собой тела сложной формы. При изопотенциальном процессе переноса в телах сложной формы изменение температуры может быть представлено уравнением в трехмерных Декартовых координатах:

	(5)
	(6)

Используя понятие об изопотенциальных поверхностях S() и объемах V(), также удается получить возможность решения задач нестационарного теплопереноса из частиц различной формы, сводя задачу к одномерной:

(7)

Расчет объемного параметра модели не представляет особых затруднений и выражается формулой:

(8)

Расчет поверхностного параметра модели выражается формулой

(9)

Где

Таким образом, зависимости величин объема и площади поверхности для реальных тел позволяют сформулировать задачу переноса как одномерную и решить её практически в аналитическом или в полуаналитическом виде, что важно для определения инвариант тепловых или потенциальных полей в задачах теплообмена.

Для эллипсоидной формы одномерная модель может быть представлена с учетом коэффициента формы Г:

(10)

Для тел правильной формы Г = 0 (для пластины), Г = 1 (для цилиндра), Г = 2 (для шара), а для эллипсоидальных тел:

(11)

где a, b, c – полудлины эллипсовидного тела по каждой из осей в декартовой системе координат, причем, a > b > c

Проведен сравнительный анализ описания процессов теплопереноса трехмерной (5) и одномерной (7) моделями для следующих эллипсоидальных тел из условий постоянства объема и приведенного размера

Рисунок 3 – Зависимости изменения во времени средней относительной избыточной температуры для частиц неправильной формы: (1й) Г1 = 3.83722; (2й) Г2 = 2.42075; (3й) Г3 = 4.67660; (4й) Г4 = 4.59619

Представленный график (рисунок 3) показывает хорошее совпадение одномерного решения (сплошные линии) и трехмерного численного решения (точки), однако, объем вычислений существенно меньше для одномерной задачи.

Экспериментальные данные процесса вакуумного охлаждения (Таблица 1), позволяют оценить параметр температуропроводности хлебобулочных изделий. В результате проведенных исследований установлено значение коэффициента температуропроводности . А также, установлено влияние на этот показатель параметров процесса вакуумного охлаждения: остаточного давления (P, Па); начальной температуры материала (t,0С); времени охлаждения (s, мин). Регрессионное уравнение в нормированном пространстве факторов имеет вид:

(12)

В исходных переменных уравнение (12) для расчета эффективного коэффициента температуропроводности принимает вид:

(13)

Таблица 1 – Изменение температуры центральной части батона с габаритами 310 мм, 42 мм, 30 мм в процессе вакуумного охлаждения

Р , Па	tнач , 0С	S , мин	tкон , 0С	Мнач , г	Мкон , г	W, г	aэ107 , м2/сек	э	tср , 0С
405	80	5	43	103,2	100,6	2,6	2,01	0,514	8
405	60	3	35	102,3	101,8	0,5	3,54	0,481	8
608	80	3	45	118,4	115,5	2,9	3,47	0,493	9
608	60	5	34	114,8	113	1,8	2,02	0,510	9
811	80	5	33	112	109,31	2,69	1,50	0,671	10
811	60	3	35	137,17	134,7	2,47	3,42	0,500	10
861	80	3	40	132,8	129,25	3,55	2,97	0,580	11
811	60	5	28	129,33	127	2,33	1,60	0,640	10