DK176397B1

DK176397B1 - Fremgangsmåde og styring af en termisk behandlingsenhed samt termisk behandlingsenhed

Info

Publication number: DK176397B1
Application number: DK200501405A
Authority: DK
Inventors: Tage Petersen
Original assignee: Gram Equipment As
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-11-26
Also published as: CN101277755A; EP1931457A1; CA2623743A1; DK200501405A; US20090133429A1; EP1931457A4; WO2007042028A1

Description

DK 176397 B1

Fremgangsmåde og styring af en termisk behandlingsenhed samt termisk behandlingsenhed

Opfindelsens område

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangmåde til styring af en termisk behand-5 lingsenhed, hvor en roterende omrøringsaksel drives med en variabel rotationshastighed for etablering af en ønsket bearbejdning af et viskøst produkt, fortrinsvis en is-kremfiyser, hvor en skrabeaksel drives med en variabel rotationshastighed for etablering af en ønsket bearbejdning af en iskrem. Opfindelsen angår endvidere en termisk behandlingsenhed med et behandlingskammer, der har en temperaturregulering og 10 med en deri monteret motordrevet, roterende omrøringsaksel, som er forsynet et antal omrøringsorganer, der bevirker en vis opblanding på grund af deres bevægelse gennem et viskøst produkt, hvilken enhed omfatter en tilførsel for produktet i relativ tyndtflydende form samt en styreenhed til styring af temperaturen. Behandlingsenheden er fortrinsvis en iskremfiyser med et fryserør og en skraberaksel.

15

Opfindelsen er fremkommet i forbindelse med iskremfrysere og vil derfor i nærværende ansøgning blive forklaret ud fra denne teknologi. Opfindelsen finder dog anvendelse på alle termiske behandlingsenheder hvor et viskøst produkt omrøres for etablering af en opblanding for eksempel med luft eller andre ingredienser, for eksempel 20 vand. Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan for eksempel også anvendes til forbehandling af frysetørret kaffe og te.

Opfindelsens baggrund

En kontinuert iskremfryser er i princippet en skrabevarmeveksler, hvori en flydende masse (kaldet ismix) afkøles og delvist nedfryses, samtidigt med at der foregår en om-25 røring og en indblanding af luft, ofte i næsten lige så store mængder som den flydende masse, således at det færdige produkt (iskrem) er et højviskost skum.

Skrabevarmeveksleren er oftest udformet som et rør (kaldet et fryserør), der køles udenpå, med en motordrevet, roterende aksel (kaldet en skraberaksel) indeni. På den 30 roterende aksel er monteret et antal knive, der dels skraber den frosne is af røret og dels bevirker en vis opblanding på grund af deres bevægelse gennem produktet. Ved DK 176397 B1 2 indgangen til røret er ismixen relativt tyndtflydende, men efterhånden som den bevæger sig hen gennem røret og køles mere og mere, bliver den høj viskos.

Styringen af kølingen kan foretages på forskellige måder, men et vidt anvendt princip 5 på automatiske iskremfrysere er den såkaldte ’Viskositetsstyring”. Ved denne form for styring måles effektforbruget på den motor der driver skraberakslen og sammenholdes med en referenceværdi. Hvis den reelt forbrugte effekt er mindre end referencen, øges kølingen. Derved produceres en koldere is, som dermed også har en højere viskositet og derved forårsager et højere effektforbrug på motoren. Hvis den reelt forbrugte ef-10 fekt er større end referencen, mindskes kølingen på tilsvarende vis. På denne måde opnås en entydig styring, da iskrems viskositet er en entydig funktion af temperaturen, jævnfør nedenstående eksempel.

Viskositetsstyring kan dermed anvendes til at opnå en reel iskrem-temperaturstyring, 15 på grund af den entydige sammenhæng mellem temperatur og viskositet. Det bemær kes, at man ikke hermed styrer efter iskremens fysiske viskositet, men efter den optagne motoreffekt. Ofte anvendes dog betegnelsen viskositet om den målte effekt, som også ofte måles i % i stedet for den fysiske viskositet, der måles i Pa*s . Dette er illustreret i fig. 2 20

Der kendes for eksempel fra beskrivelsen til US 6 553 779 en iskremfryser med fryserør og skraberaksel til bearbejdning af den viskøse iskrem som befinder sig i iskrem-fryseren. Der beskrives en traditionel styring med et reguleringssystem der er baseret på måling af tryk og temperatur. Dette giver usikkerhed med hensyn til den opnåede 25 viskositet og bearbejdning af produktet.

De ovenstående betragtninger er dog alle baseret på, at skraberakslen roterer med en konstant hastighed. Såfremt man ønsker at lave hastigheden variabel, for eksempel 30 ved at drive motoren med en frekvensomformer eller anden type variator, bliver situationen mere kompliceret, da effekten typisk varierer med hastigheden ved fastholdt iskremtemperatur, som vist i fig. 3.

DK 176397 B1 3

Betjeningsmæssigt giver dette et problem, da operatøren har et ønske om at kunne indstille en bestemt produktviskositet (ækvivalent med iskremtemperatur), og ikke ønsker at denne viskositet ændrer sig ved en ændring af skraberakselhastigheden. Omvendt har operatøren et ønske om at kunne variere skraberakselhastigheden, idet der 5 for de fleste iskremtyper findes en optimal bearbejdning.

Såfremt der bearbejdes for meget (høj hastighed), kan der være risiko for udkæming af fedtklumper. Bearbejdes der for lidt (lav hastighed), kan det resultere i en dårlig opblanding.

10

Der er således behov for en styring, der kan ’’oversætte” operatørens ønske om en bestemt produktviskositet og en bestemt bearbejdning til styring af kølingen og indstilling af skraberakselhastigheden.

15 Såfremt operatøren indtaster en ny værdi for bearbejdningen, er det ønskeligt at styringen indstiller skraberakselhastigheden og kølingen på en sådan måde at produktviskositeten er uændret, selv om skraberakselhastigheden og dermed motoreffekten er ændret.

20 Opfindelsens formål

Det er således formålet med opfindelsen at anvise en fremgangsmåde hvorved skraberakselhastigheden og kølingen indstilles på basis at ønsket produktviskositet og ønsket bearbejdning. Det er ligeledes formålet at anvise en iskremfryser med en styring som muliggør at skraberakselhastigheden og kølingen indstilles på basis at ønsket pro-25 duktviskositet og ønsket bearbejdning.

Beskrivelse af opfindelsen

Dette opnås ifølge den foreliggende opfindelse med en fremgangsmåde, der er særpræget ved trinene for 30 -A: bestemmelse af sammenhæng mellem bearbejdning og en motors moment til at drive omrøringsakslen, -B: bestemmelse af sammenhæng mellem viskositet og temperaturen, DK 176397 B1 4 -C: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige temperaturer for det viskøse produkt, -D: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige grader af motorbelastning, 5 -H: fastlæggelse af ønsket viskositet og ønsket bearbejdning, -F: beregning af motormoment ud fra de i trin A - E bestemte sammenhænge, idet der beregnes en rotationshastighed for omrøringsakslen og etableres en justering af temperaturen til etablering af korrekt motormoment.

10 I en iskremftyser vil der i trin A anvendes en skraberaksel og der måles på iskremtemperaturer og den temperaturregulering der etableres i trin F vil være en køling.

Apparatet ifølge opfindelsen er særpræget ved, at styreenheden er indrettet for -A: bestemmelse af sammenhæng mellem bearbejdning og en motors moment til at 15 drive omrøringsakslen, -B: bestemmelse af sammenhæng mellem viskositet og temperaturen, -C: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige iskremtemperaturer for det viskøse produkt, -D: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens 20 rotationshastighed ved forskellige grader af motorbelastning, -E: fastlæggelse af ønsket viskositet og ønsket bearbejdning, -F: beregning af motormoment ud fra de i trin A - E bestemte sammenhænge, idet der beregnes en rotationshastighed for omrøringsakslen og etableres en justering af temperaturen til etablering af korrekt motormoment.

25 I en iskremftyser vil der anvendes en skraberaksel, der placeret i et fryserør og som er forsynet med knive, der dels skraber den frosne is af ftyserøret og dels bevirker opblandingen.

30 Ved at gennemføre et antal målinger ved forskellige skraberakselhastigheder og iskremtemperaturer kan der opnås et overblik over sammenhængene mellem moment og skraberakselhastighed der muliggør et styringsprincip som er medvirkende til at opfylde opfindelsens formål.

DK 176397 B1 5

Det har her vist sig, at der kan opstilles en relativt simpel sammenhæng mellem skra-berakselhastigheden og det drejningsmoment, der skal til for at rotere skraberakslen.

Typisk er sammenhængen meget nært lineær, som vist på graf i fig. 4.

5 Placeringen af de enkelte linier for iskremtemperaturer kan naturligvis variere for forskellige iskremtyper, men den principielle sammenhæng er bevaret, og man kan derfor relativt nemt opstille et ligningssystem, der tilnærmer den reelle opførsel.

Ved analyser af iskrem produceret under varierende omstændigheder viser det sig 10 overraskende, at bearbejdningen, målt i form af udkæmet fedt, praktisk taget kun er en funktion af det anvendte moment til at drive skraberakslen.

Sammenholdes dette med motorens momentkarakteristik, for eksempel for en fre-kvensomformerdrevet elmotor, fås en sammenhæng som vist i fig. 5.

15

Det mulige driftsområde ligger under kurven for maximalt motormoment. Eftersom iskremens viskositet er en funktion af temperaturen, kan man i stedet for de angivne temperaturer på grafen skrive en viskositet (der ikke nødvendigvis er proportional med temperaturen men kan defineres som en arbitrær, éntydig funktion af temperaturen).

20 For eksempel kunne viskositeten angives i % som vist i fig. 6.

Da ligningerne for viskositeten er kendte, og bearbejdningen er en funktion af motormomentet, kan der nu etableres en styring, hvor operatøren kan indtaste en viskositet og en bearbejdning.

25

Iskremftyserens PLC kan nu beregne skæringspunktet mellem de to kurver. Dette kan for eksempel ske som angivet i fig. 6 ved den sorte prik ved skæring mellem 40 % viskositet og XX % motormoment (=XX % bearbejdning).

30 Derved kan hastigheden beregnes og indstilles, hvorefter kølingen kan justeres indtil det ønskede moment opnås.

DK 176397 B1 6

Indtastes en ny værdi for bearbejdningen, beregnes et nyt skæringspunkt. I fig. 7 er der således som eksempel med en hvid prik vist en indtastning af YY% motormoment, stadigt med 40 % viskositet.

5 Da YY er større end XX, resulterer dette i beregning af en højere hastighed og samtidigt et større ønsket moment. Hastigheden kan indstilles på frekvensomformeren, hvorefter man ved at justere kølingen kan opnå det nye ønskede moment.

Setpunkts-skiftet kan naturligvis også opdeles i mindre trin, for ikke at opnå ustabilitet 10 ved at justere på 2 parametre på én gang; dette ændrer ikke på det grundlæggende princip.

Ifølge den foreliggende opfindelse opnås der således et styringsprincip til en iskremfryser, til styring afkøling og skraberakselhastighed som baseres på 2 kurvesæt; 1 sæt 15 for sammenhængen mellem motormoment og skraberakselhastighed ved forskellige motorbelastningsgrader, og 1 sæt for sammenhængen mellem motormoment og skraberakselhastighed ved forskellige iskremtemperaturer.

Under betjeningen af maskinen indtaster operatøren blot 2 værdier; 20 - Den ønskede produktviskositet (stivhed) - Den ønskede bearbejdning.

Ud fra den ønskede stivhed beregner apparatets PLC/styreenhed den tilhørende temperaturkurve, idet temperaturen er en på forhånd defineret, entydig funktion af stivheden.

25 Denne funktion behøver ikke at være lineær, men kan defineres efter ønske, ud fra hvad man finder praktisk.

Ud fra den ønskede bearbejdning beregner maskinen den tilhørende motor-momentkurve, idet bearbejdningen er en på forhånd defineret, éntydig funktion af mo-30 tormomentet. Denne funktion behøver ikke at være lineær, men kan defineres efter ønske, ud fra hvad man finder praktisk.

7 DK 176397 B1

Ved beregning af skæringspunktet mellem temperaturkurven og motormomentkurven finder maskinen den korrekte skraberakselhastighed og indstiller denne. Kølingen justeres derefter, til det korrekte motormoment er opnået.

5 Styringen kan udføres ved at bearbejdningen beregnes som en lineær funktion af motormomentet.

Styringen kan endvidere udføres ved at stivheden beregnes som en lineær funktion af produkttemperaturen.

10

Styringen kan endvidere udføres ved at setpunktsændringer ikke udføres i ét trin, men deles op i mindre trin, hvor hvert trin udføres efterhånden som maskinen er stabil på forrige trin.

15 T egn in gsbeskri velse fig. 1 viser et skematisk billede af en iskremfryser ifølge opfindelsen og som styres ved en fremgangsmåde ifølge opfindelsen, fig. 2 viser et diagram, som illustrerer sammenhæng mellem temperatur og viskositet for iskrem, 20 fig. 3 viser et diagram, der illustrerer den indflydelse skrabeakslens rotationshastighed har på forholdet mellem iskremens temperatur og motormoment, fig. 4 viser et diagram, der illustrerer sammenhæng mellem skrabeakslens rotationshastighed og motorens moment ved forskellige temperaturer for iskremen, fig. 5 viser et diagram svarende til fig. 4, hvor motorens momentkarakteristik er 25 indføjet, fig. 6 viser et diagram svarende til fig. 5, hvori iskremens viskositet er anført i stedet for temperaturkurver, og fig. 7 viser et diagram svarende til fig. 6 med illustration af yderligere motormo-mentkurve.

30 DK 176397 B1 8

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen I fig. 1 vises et fryserør l, hvori der er tilvejebragt en kniv 2, som skraber frossen is af røret og dels tilvejebringer en opblanding af luft på grund af deres bevægelse gennem produktet. Knivene er således tilvejebragt på en skrabeaksel 3, som drives af en motor 5 4 for etablering af den roterende bevægelse.

En råmix 5 indføres ved hjælp af en pumpe 6 via et rør 7 til fryserøret 1.1 røret 7 tilføres luft 8 via en kontraventil 9 ind i den indpumpede råmix.

10 Fryserøret 1 har et udtag 10, der er forbundet med en pumpe 11 for at udpumpe luft-opblandet iskrem 12 fra ffyserøret.

Det viste apparat er forbundet med en styreenhed, som er indikeret ved 13. Styreenhe-den er i princippet baseret på en PLC og er forbundet med relevante følere (ikke vist) i 15 apparatet og er forsynet med algoritmer for at foretage de nødvendige beregninger.

Fig. 2 viser et koordinatsystem, hvor temperaturen i iskremen er vist som en abscisse, og hvor viskositet udtrykt ved Pa s er angivet som ordinat. Det ses her, at en kurve 14 viser iskremens viskositet som en entydig funktion af temperaturen.

20

Fig. 3 viser en første kurve og en anden kurve, som er angivet for skraberakslens om-drejningshastighed på 200 omdrejninger pr. min henholdsvis 400 omdrejninger pr, min. Dette illustrerer, at der i punkter 17 og 18, hvor der hersker samme temperatur men forskellig hastighed, vil være behov for forskellige motoreffekt.

25

Fig. 4 viser det resultat, der er opnået ved at gennemføre et antal målinger ved forskellige skrabeakselhastigheder og iskremtemperaturer. Det ses her, at der kan opstilles en relativ simpel sammenhæng mellem skraberakselhastigheden og drejningsmomentet, som skal til for at rotere skraberakslen ved forskellige iskremtemperaturer. Placerin-30 gen af de enkelte kurvelinier 19, 20, 21, 22, 23 og 24 kan variere for forskellige iskremtyper. Imidlertid er den principielle sammenhæng bevaret.

Som nævnt har det overraskende vist sig, at bearbejdningen målt i form af udkæmet fedt praktisk taget kim er en funktion af det anvendte moment til at drive skraberaks DK 176397 B1 9 len. Når kurverne, som er illustreret i fig. 2, sammenholdes med en momentkarakteristik for en motor, fas det i fig. 5 viste diagram. Her er kurverne 19-24 sammenholdt med en kurve 25 for maksimalt motormoment og en kurve 26 for XX % af det maksimale motormoment.

5 I fig. 6 er temperaturkurverne 19-24 transformeret til viskositetskurver 27 - 32 respektivt. Viskositeten, der ikke nødvendigvis er proportional med temperaturen, er således defineret som en arbitrær procentværdi fra 0 til 100 %.

10 Det ses nu, at et skæringspunkt 33 mellem kurven 29 for 40 % viskositet og kurven 26 for et motormoment på XX % kan beregnes af iskremfryserens styreenhed (PLC). Således kan hastigheden beregnes og indstilles, hvorefter det bliver muligt at indstille en køling, indtil det ønskede moment opnås.

15 Fig. 7 svarer til fig. 6 men indeholder en yderligere kurve 34, der giver et højere motormoment på YY % af maksimalt motormoment end det XX % af maksimalt motormoment, som er angivet ved kurven 26. Der er her et skæringspunkt 35 mellem kurven 34 og kurven 29 for 40 % viskositet. Da YY % er større end XX %, resulterer dette i beregning af en højere hastighed og samtidig et større ønsket moment. Det bliver mu-20 ligt at indstille hastigheden på en frekvensomformer til motorstyringen. Derefter kan køling justeres, således at man opnår et ønsket moment.

Det skal bemærkes, at setpunkts-skiftet kan opdeles i mindre trin, således at der ikke optræder ustabilitet ved at justere to parametre på én gang.

Claims

1. Fremgangmåde til styring af en termisk behandlingsenhed, hvor en roterende omrøringsaksel drives med en variabel rotationshastighed for etablering af en ønsket bear- 5 bejdning af et viskøst produkt, kendetegnet ved trinene for -A: bestemmelse af sammenhæng mellem bearbejdning og en motors moment til at drive omrøringsakslen, -B: bestemmelse af sammenhæng mellem viskositet og temperaturen, -C: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens 10 rotationshastighed ved forskellige temperaturer for det viskøse produkt, -D: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige grader af motorbelastning, -E: fastlæggelse af ønsket viskositet og ønsket bearbejdning, -F: beregning af motormoment ud fra de i trin A - E bestemte sammenhænge, idet der 15 beregnes en rotationshastighed for omrøringsakslen og etableres en justering af temperaturen til etablering af korrekt motormoment.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at bearbejdningen kun er en funktion af motorens moment. 20

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at viskositeten kun er en funktion af temperaturen.

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at moto-25 rens moment kun er en funktion af omrøringsakslens rotationshastighed ved givet produkttemperatur.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den i trin E udførte beregning foretages trinvis, idet hvert trin udføres, når der er etableret stabi- 30 litet i et foregående trin.

6. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at motoren drives af en frekvensomformer for etablering af den variable rotationshastighed. DK 176397 B1 11

7. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at viskositeten defineres som en arbitrær parameter svarende til produktets temperatur og angives som en % - størrelse, der kan variere mellem 0 % og 100 %. 5

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den termiske behandlingsenhed vælges som en iskremfryser, at den roterende omrøringsaksel vælges som en skraberaksel og at det viskøse produkt vælges som en iskrem

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, kendetegnet ved, at skrabeakslen forsynes med kni ve, således at frossen is skrabes af indersiden af et fryserør.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at bearbejdningen måles i form af udkæmet fedt. 15

11. Termisk behandlingsenhed med et behandlingskammer, der har en temperaturregu-lering og med en deri monteret motordrevet, roterende omrøringsaksel, som er forsynet et antal omrøringsorganer, der bevirker en vis opblanding på grund af deres bevægelse gennem et viskøst produkt, hvilken enhed omfatter en tilførsel for produktet i 20 relativ tyndtflydende form samt en styreenhed til styring af temperaturen, kendetegnet ved, at styreenheden er indrettet for -A: bestemmelse af sammenhæng mellem bearbejdning og en motors moment til at drive omrøringsakslen, -B: bestemmelse af sammenhæng mellem viskositet og temperaturen,

25 -C: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige iskremtemperaturer for det viskøse produkt, -D: bestemmelse af sammenhæng mellem motorens moment og omrøringsakslens rotationshastighed ved forskellige grader af motorbelastning, -E: fastlæggelse af ønsket viskositet og ønsket bearbejdning,

30 -F: beregning af motormoment ud fra de i trin A - E bestemte sammenhænge, idet der beregnes en rotationshastighed for omrøringsakslen og etableres en justering af temperaturen til etablering af korrekt motormoment. DK 176397 B1 12

12. Termisk behandlingsenhed ifølge krav ll,kendetegnet ved, at den omfatter en iskremffyser med et fryserør hvori en skraberaksel er monteret med knive, der dels skraber den frosne is af fryserøret og dels bevirker opblandingen.