Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 12
1.1. Скорость процесса - определяющий параметр быстрого замораживания штучных пищевых продуктов 12
1.2. Низкотемпературные системы хладоснабжения туннельного скороморозильного аппарата 1.2.1. Азотная проточная система хладоснабжения 18
1.2.2. Проточная система хладоснабжения низкотемпературным воздухом, расширенным в турбодетандере 23
1.3. Анализ информационного материала 37
2. Экспериментальные исследования процесса быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турбодетандера 43
2.1. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований 43
2.2. Разработка контрольно-измерительной системы и программного обеспечения обработки экспериментальных данных 52
2.2.1. Общие положения 52
2.2.2. Разработка контрольно-измерительной системы для исследования процессов быстрого замораживания пищевых продуктов 54
2.3. Результаты экспериментальных исследований 62
2.4. Выводы по 2-ой главе 74
3. Научные основы быстрого замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата 76
3.1. Аналитические исследования процесса 76
3.1.1. Общие сведения 76
3.1.2. Математическая модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом 82
3.1.3. Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи в условиях симметричного теплоотвода низкотемпературным воздухом 88
3.2. Проверка адекватности предложенных математических моделей. 94
3.3. Результаты аналитических расчетов и обоснование рациональных режимов быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата 99
3.4. Выводы по 3-ей главе 111
4. Практическая реализация результатов исследований 113
4.1. Туннельный скороморозильный аппарат с воздушной проточной системой хладоснабжения от турборефрижераторного агрегата 113
4.2. Энергетическая оценка работы скороморозильного аппарата с низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки 122
4.3. Технико-экономическая оценка скороморозильных аппаратов с машинной и проточной системами хладоснабжения 135
4.4. Внедрение и использование результатов диссертационной работы 137
4.5. Выводы по 4-ой главе 138
Основные результаты работы и выводы 140
Список использованной литературы 142
Приложение № 1 152
Приложение №2 171
Приложение №3 183
Приложение №4 196
Приложение №5 205
Приложение №6 211
Приложение №7 222
- Проточная система хладоснабжения низкотемпературным воздухом, расширенным в турбодетандере
- Разработка контрольно-измерительной системы для исследования процессов быстрого замораживания пищевых продуктов
- Результаты аналитических расчетов и обоснование рациональных режимов быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата
- Энергетическая оценка работы скороморозильного аппарата с низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Производство быстрозамороженных пищевых продуктов - одно из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Замораживание таких продуктов осуществляется поштучно и поэтому они объединены термином "быстрозамороженные штучные пищевые продукты".
Быстрое замораживание предусматривает определенный интервал скорости процесса, гарантирующий высокое качество и товарный вид продукта, а также позволяющий включать его в общую поточную линию производства такой продукции.
Отрасль производства быстрозамороженной продукции развивается и в нашей стране. В России для этих целей используются морозильные камеры, туннели, плиточные шкафы, флюидизаторы и т.п. с машинной системой хла-доснабжения, которая обеспечивает температуру воздуха на уровне -25^-30 С. При таких температурах процесс замораживания не обеспечивает скорости, характеризующие процесс быстрого замораживания продукта.
На сегодняшний день к технологическому холодильному оборудованию предъявляются требования существенного увеличения скорости замораживания пищевых продуктов, обеспечивающей гарантированное сохранение их качества. При этом существует необходимость в использовании экологически лояльных и дешевых хладагентов.
Исследования процесса замораживания пищевых продуктов с использованием проточной низкотемпературной воздушной системы хладоснабжения были впервые проведены на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ (дисс. д.т.н. Антонова А.А., дисс. к.т.н. Бобкова А.В.). Проточная система предусматривает одноразовое использование хладагента. Данные исследования проводились с учетом создания универсального аппарата на базе азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA). Условия замораживания низкотемпературным воздухом моделировались газообразным азотом, скорость потока которого обеспечивалась, как и в аппарате ACTA, с помощью вентиляторов.
В этом плане перспективно использование низкотемпературного воздуха (-60+-120 С) от турборефрижераторной установки. Для данного диапазона температур отечественными специалистами разработаны турборефриже-раторные агрегаты на базе типоразмерного ряда турбодетандеров, что обеспечивает перспективность использования данного оборудования для скороморозильных аппаратов.
Применение турбодетандера дает возможность обеспечить одновременно широкий интервал не только температуры воздуха, но и скорости его потока. При этом из данного интервала необходимо научно обосновать рациональные режимные параметры воздуха в зависимости от вида замораживаемого продукта и его основных технологических параметров.
Выполнение таких исследований стало возможным в связи с созданием в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова холодильной установки на базе воздушного турборефрижераторного агрегата (ВТРА).
Решению такой проблемы и посвящена данная работа, которая выполнялась совместно с НИИ механики МГУ на основании договора о научно-техническом сотрудничестве (№ 1/ХТ-06 от 10.04.2006 г.).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка конструкции туннельного аппарата и, на ее базе, рациональных режимных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием проточной системы хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки.
В соответствии с поставленной целью решались следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:
создать экспериментальный стенд, разработать контрольно-измерительную систему и машинные программы обработки экспериментальных данных для проведения исследований процесса замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на базе действующего ВТРА;
разработать аналитические модели расчета основных параметров процесса замораживания пищевых продуктов (продолжительности, коэффициента теплоотдачи) для условий теплообмена в туннельном аппарате с проточной низкотемпературной воздушной системой хладоснабжения;
провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности результатов аналитических расчетов, получения процессных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов, а также выявления механизма влияния на процесс конечной температуры (tK) замораживаемого продукта в условиях низкотемпературного воздуха от ВТРА; определить продолжительность замораживания пищевых продуктов, с использованием их классификации, в интервале низких температур воздуха и скорости его потока, обеспечиваемом турбохолодильным агрегатом;
разработать конструкцию воздушного туннельного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой;
разработать систему выбора рациональных режимных параметров быстрого замораживания с учетом класса продуктов, их технологических параметров, интервалов температуры и скорости воздуха, обеспечиваемых в туннельном аппарате с ВТРА;
провести энергетический и технико-экономический анализы работы туннельного скороморозильного аппарата, использующего азотную или воздушную от турборефрижераторного агрегата проточные системы хладоснабжения.
Разработаны аналитические модели расчета коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительности замораживания (т) пищевых продуктов в туннельном аппарате с проточной воздушной системой хладоснабжения.
Получены, на базе действующего воздушного турборефрижераторного агрегата, экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов, которые позволили доказать адекватность (на уровне 8-Ю %) разработанных аналитических моделей, а также обосновать конечную температуру замораживаемого продукта (tK = -5 С) при использовании низкотемпературного воздуха.
Получены номограммы и графические зависимости, позволяющие определить значения коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительность замораживания (т) пищевых продуктов широкого ассортимента в интервале температур воздуха (—60-^—120 С) и скорости его потока (5-^25 м/с), обеспечиваемых ВТРА.
Разработаны машинные программы обработки экспериментальных данных на базе контрольно-измерительной системы, обеспечивающие графическое построение температурного поля продукта, кривых изменения плотности тепловых потоков, а также функционально зависимых кривых - средне-объемной температуры (tv) и коэффициента теплоотдачи (а).
Разработана конструкция воздухораспределительного устройства и, на его базе, предложено техническое решение туннельного аппарата для быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки (патент РФ № 2278336).
Предложена система выбора рациональных режимов работы ВТРА, обеспечивающих условия быстрого замораживания в туннельном аппарате исследуемых классов пищевых продуктов, с использованием полученных данных расчета продолжительности процесса и эксергетического анализа.
Получены результаты сравнительной энергетической, с использованием показателя величины эксергии, и технико-экономической оценки, доказывающие перспективность предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой в сравнении с аппаратами, использующими жидкий азот, а также традиционную холодильную машину.
Результаты работы использованы Институтом механики МГУ им. М.В. Ломоносова при разработке воздушных турборефрижераторных установок для пищевой промышленности (акт внедрения от 12.04.2006 г.), а также в учебном процессе на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ.
аналитические модели расчета продолжительности процесса и коэффициента теплоотдачи в условиях организации процесса замораживания
пищевых продуктов в туннельном аппарате с проточной системой хла-
доснабжения от ВТРА; - результаты экспериментальных данных основных параметров процесса
замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на
базе действующего турборефрижераторного агрегата;
конструктивное решение туннельного скороморозильного аппарата с системой воздухораспределения от турборефрижераторной установки (Патент РФ № 2278336);
систему выбора рациональных режимов работы турборефрижераторной установки, обеспечивающих условия быстрого замораживания в туннельном аппарате пищевых продуктов широкого ассортимента с учетом их технологических параметров;
результаты сравнительного эксергетического и технико-экономического анализов работы скороморозильных аппаратов, использующих низкотемпературный воздух, жидкий азот, а также аппаратов с холодильной машиной, позволяющих оценить условия их эффективного использования.
Основные результаты работы обсуждались на международных научно-технических конференциях: "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии" (Москва, 2003 г.), "Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК" (Москва, 2004 г.), на 4-ой международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии "(Украина, Одесса, 2005), международной научно-технической конференции "Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК" (Москва, 2005), научно-технич. конференции "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии. Энергосбережение" (Москва, МГУПБ, 2006). ПУБЛИКАЦИИ.
Основные положения работы опубликованы в 11 печатных работах, в т.ч. в реферируемых ВАК журналах, получен патент РФ № 2278336. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 223 стр., включает 141 стр. основного текста, 36 рисунков, 22 таблицы, 87 литературных источников и 7 приложений на 82 стр.
Проточная система хладоснабжения низкотемпературным воздухом, расширенным в турбодетандере
Воздушные холодильные машины появились раньше компрессионных - в 60-х годах XIX века. Однако они оказались неконкурен тоспособными компрессионным в области температур до —50 С. По мере практического продвижения низких температур в различные области народного хозяйства интерес к ним возобновился. Например, еще в 60-х годах XX века в СССР были построены первые воздушные турбохолодильные машины ТХМ-300, ТХМ1-25 и их модификации, работающие по вакуумному циклу. Эти машины экспортировали и сегодня они работают на крупных рыболовных судах и базах переработки морепродуктов. Мартыновским B.C., Дубинским М.Г., Марфениной И.В., Микулиным Е.И. и др. теоретически и экспериментально исследованы многие проблемы создания подобных машин [43, 45, 58, 59]. Было доказано, что при температурах ниже -70 С воздушные холодильные машины эффективнее парокомпрессион-ных.
На базе турбохолодильной машины ТХМ1-25 разработан опытный образец скороморозильной установки для замораживания плодов, ягод и овощей [44], принципиальная схема которой показана на рис. 1.1.
Атмосферный воздух через дроссельную заслонку и центробежный вентилятор нагнетается в турбохолодильную машину. Далее воздух проходит осевой вентилятор, следующую клапанную коробку, регенератор и подается в скороморозильный аппарат. Выходящий из аппарата воздух поступает в турбодетандер, где расширяется, при этом его температура понижается. Далее воздух через клапанную коробку и второй регенератор, охлаждая его насадку, попадает на вход в турбокомпрессор. В компрессоре, расположенном на одном валу с турбодетандером, воздух сжимается до атмосферного давления и, нагретый до ПО С, выбрасывается в атмосферу. Периодически через одну минуту регенераторы переключаются.
Основной частью морозильного аппарата является теплоизолированная шахта прямоугольного сечения. В шахте друг над другом расположены металлические сетчатые лотки с замораживаемым продуктом. Холодный воздух продувается через слой продукта. Продукт замораживается либо в режиме псевдоожижения для частиц размером 20 - 25 мм, либо в плотном слое для более крупных частиц.
Установка с турбохолодильной машиной обеспечивала температуру воздуха от -50 до -100 С. Это были первые работы по использованию для быстрого замораживания низкотемпературного воздуха. Однако они завершились на этапе создания опытного образца уста новки и, в дальнейшем, не получили широкого промышленного использования.
Основные недостатки - громоздкость, металлоемкость, сложность эксплуатации установки. Достаточно отметить, что в морозильном аппарате необходимо создание избыточного давления воздуха, который затем расширяется в турбодетандере, что требует дополнительных устройств для предотвращения поступления атмосферного воздуха через загрузочный и разгрузочный шлюзы.
Широкие перспективы для создания новых технологических процессов быстрого замораживания продуктов питания в скороморозильных аппаратах открываются при использовании в качестве генератора холода воздушных холодильных машин с турбодетандерами. Накопленный опыт криогенного турбодетандеростроения позволил существенно приблизить воздушный холодильный цикл к нуждам пищевой промышленности.
Так, коллективами СКТБ «Турборефрижераторы», Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова и кафедры холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ им. Н.Э. Баумана разработаны методология и технические средства производства холода в диапазоне рабочих температур -120 -70 С (в пределе примерно до -170 С) с использованием турбоде-тандеров [15].
Именно для этого диапазона температур был построен ряд тур-борефрижераторов ATR на базе типоразмерного ряда турбодетанде-ров RET. ATR состоит из турбодетандерного агрегата (детандер, компрессор), теплообменной аппаратуры, блоков осушки и фильтров очистки воздуха, органов управления и контроля [15].
Работа турборефрижераторного агрегата построена по принципу воздушного холодильного цикла низкого давления с турбодетанде ром. Основой технологического процесса получения низкотемпературного холода является высокоскоростной турбодетандер, обеспечивающий мгновенное увеличение объема сжатого воздуха в компрессоре благодаря высокой частоте вращения ротора турбины, что сопровождается резким понижением температуры воздуха.
Отличительные особенности турбодетандеров для ATR определяются широким диапазоном частот вращения ротора (30 000 - 300 000 об/мин) при относительно большой мощности турбины. Этот диапазон параметров относится, по существу, к неосвоенной промежуточной области в турбодетандеростроении, лежащей между параметрами маломощных турбодетандеров криогенных гелиевых установок с одной стороны, и крупных турбин воздухоразделительных установок низкого давления - с другой [15].
Построен модульный ряд турборефрижераторов ATR в соответствии типоразмерами турбодетандера RET. По рабочим параметрам ряды RET и ATR адаптированы к принятому в международной практике параметрическому ряду винтовых компрессоров производи-тельностью 100 + 2500 м /ч и к турбокомпрессорам производительностью 5000 и 10 000 м3/ч (табл. 1.1).
Первые 7 моделей ATR формируются таким образом, что каждая модель охватывает параметры последней модификации предыдущей модели и первой модификации последующей модели.
Модели с 1 по 7 адаптированы к параметрам винтовых компрессоров, крупные модели 8 и 9 - к параметрам турбокомпрессора [15].
На базе ATR вместе с автономным компрессорным оборудованием, включающим блоки подготовки воздуха, создана система воздушных холодильных агрегатов ARA, производящих наряду с холодом низкопотенциальную теплоту на уровне 60 и 100 С. При комплектации приемником холода - скороморозильным аппаратом формируется система морозильно-холодильно-тешювых станций (МХТС) в передвижном и стационарном исполнении с требуемой для пищевой промышленности холод опроизводительностью 3 -т- 300 кВт (или производительностью по перерабатываемому воздуху 100 -ь 10 000 м /ч) и производительностью по замораживаемому продукту 50 - 5000 кг/ч.
Разработка контрольно-измерительной системы для исследования процессов быстрого замораживания пищевых продуктов
Для определения рациональных условий процесса быстрого замораживания в ходе проведения экспериментальных исследований необходимо контролировать температурное поле продукта, изменение его теплового состояния, а также скорость его обдува охлаждающей средой [1,33, 35, 74, 79].
Разработана, на базе 10 - канального измерителя температуры и плотности тепловых потоков ИРТ - 4, выпускаемого ОАО "Практик-НЦ" (г. Зеленоград, Моск. обл.) контрольно-измерительная система (рис. 2.7), включающая в себя, помимо данного прибора, портативный переносной компьютер "DELL", с установленной в его памяти программой контроля и регулирования снимаемых показаний "ИРТ-4T16.exe", четыре хромельалюмелевые 8-проводные термопары, два датчика тепловых потоков с удлинителями (10 м), а также портативный анемометр "Testo 425" для измерения скорости движения охлаждающей среды.
Микроконтроллерный измеритель - регулятор температуры и тепловых потоков ИРТ-4 предназначен для построения автоматических систем контроля и управления температурой производственных технологических процессов в различных отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве. Прибор может быть адаптирован для контроля и управления любым другим параметром технологического процесса, в данном случае используется дополнительная функция контроля за потоками теплоты в ходе технологических процессов.
В ходе эксплуатации прибор выполняет следующие функции:
- производит настройку параметров работы прибора с помощью встроенной клавиатуры;
- производит измерение физических параметров (температуры, тепловых потоков), контролируемых входными первичными преобразователями, по их НСХ (номинальная статическая характеристика);
- производит сохранение (накопление статистики) измеренных параметров в энергонезависимой памяти с указанием времени и даты;
- осуществляет цифровую фильтрацию измеренных параметров от промышленных помех;
- осуществляет отображение результатов измерений на встроенном светодиодном цифровом индикаторе и, при соответствующем конфигурировании канала управления, выводит его на внешнюю сигнализацию;
- формирует сигналы управления внешними исполнительными устройствами в соответствии с заданными пользователем законами и параметрами регулирования;
- осуществляет отображение на встроенном светодиодном цифровом индикаторе заданных параметров регулирования;
- формирует команды ручного управления испонительными устройствами с клавиатуры прибора;
- осуществляет передачу на компьютер информации о значениях контролируемых датчиками величин и установленных рабочих параметрах, а также принимает от него команды и данные для изменения этих параметров;
- производит сохранение заданных рабочих параметров в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания.
Прибор изготовлен в модификации "Измеритель" и оснащен четырьмя термоэлектрическими преобразователями (термопарами) и двумя датчиками тепловых потоков с удлинителями.
В качестве термоэлектрических преобразователей использованы хромельалюмелевые термопары ХА (К) с диапазоном измерения температуры от -200 до +40 С, имеющие 8-проводную схему подключения к прибору (рис. 2.8.).
Принцип действия такой термопары основан на эффекте Зеебека, в соответствии с которым нагревание (охлаждение) точки соединения двух разнородных проводников, вызывает на противоположных концах проводников появление электродвижущей силы "ТермоЭДС", величина которой, в свою очередь, определяется химическим составом проводников и температурой нагрева (охлаждения). Рабочий спай термопары, т.е. точка соединения разнородных проводников, располагается в месте проведения замеров, а холодный спай (концы проводников) подключается к измерительному прибору. Поскольку измерение температуры холодного спая термопары должно производиться в месте подключения термопары к соединительному кабелю с помощью термопреобразователя сопротивления, на каждую термопару определено по два канала измерения прибора. В этом случае обеспечивается максимально возможная точность измерений.
По такому же принципу функционируют и датчики плотности тепловых потоков. Единственное отличие состоит в том, что рабочий спай выполнен в виде плотноспаянных концов разнородных проводников спирально размещенных в, так называемой, "таблетке" датчика, основу которой составляет изоляционный диэлектрик, например, эпоксидная смола (рис. 2.9). При этом, необходимо отметить, что только одна из сторон датчика является рабочей.
Датчики предназначены для измерения величины, плотности теплового потока в диапазоне от 0 до 10000 Вт/м2.
Все измерительные устройства прибора ИРТ — 4 прошли калибровку в Менделеевском центре стандартизации, метрологии и сертификации и ФГУ "Российский Центр испытаний и сертификации-Москва" и имеют соответствующие сертификаты о калибровке.
Результатом калибровки является установленная по отношению к эталону погрешность: для термопар - ПГ ± 0,25 %; для датчиков плотности теплового потока - ПГ ± 7 %.
В комплектацию измерителя температуры и плотности теплового потока ИРТ - 4 входит дополнительный гибкий носитель (лазерный диск), содержащий копию программы прибора (приложение 1) для возможной ее установки на компьютер, при этом в конструкции прибора предусмотрен специальный порт COM (RS 232 / RS 485) для его подключения к компьютеру.
Использование портативного компьютера с установленной в его памяти программой работы прибора, позволяет вести одновременный контроль за параметрами процесса по всем включенным каналам, а не раздельно, как это было предусмотрено на светодиодной панели прибора (рис. 2.10). Кроме того, на экране компьютера возможно вести визуальное наблюдение за параметрами процесса, отображаемыми в виде графических зависимостей, а при использовании мыши или с помощью клавиатуры, возможно обеспечить управление и регулирование как работой программы, так и самими технологическими про цессами.
В качестве компьтера в данной контрольно-измерительной системе был использован портативный ноутбук марки DELL, технические характеристики которого представлены в табл. 2.1.
Одним из элементов разработанной контрольно-измерительной системы является портативный измеритель температуры и скорости газовых потоков - термоанемометр TESTO 425, снабженный телескопическим удлинителем с термоанемометрическим датчиком NTC (рис. 2.11 а, б).
Результаты аналитических расчетов и обоснование рациональных режимов быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата
В ряде работ [1, 2, 5, 19, 27, 34, 48, 70, 72, 77] представлена классификация объектов быстрого замораживания, составленная на основе физической природы продукта и разбитая на классы, подклассы и группы по уровням его влаго- и жиросодержания. Классификация включает в себя девять классов пищевых продуктов: Пі - мясопродукты, П2 - мясо птицы, Пз - рыба, П4 - плоды, ягоды, П5 - овощи, П6 -тесто, П7 - продукты типа "тесто+начинка", Пз - сливочное масло и П9 - твердые сыры. Авторами обосновано понятие условно-расчетного продукта (УРП), позволяющее использовать в инженерных расчетах теплофизические характеристики (ТФХ) различных пищевых продуктов, усредненные для каждого класса, подкласса и группы классификации.
С использованием данной классификации и предложенных аналитических моделей, произведен расчет продолжительности замораживания пищевых продуктов в зависимости от температуры воздуха (tcp), скорости его циркуляции (юв), класса продукта Пі-т-П5 и его толщины (5).
В таблице 3.4 представлены расчетные данные при скорости циркуляции воздуха сов = 5 м/с, в таблице 3.5 - при шв = 10 м/с, в таблице 3.6 - при сов = 15 м/с, в таблице 3.7 - при сов = 20 м/с, в таблице 3.8 -при сов = 25 м/с.
На базе полученных данных проведен анализ влияния на продолжительность (т) процесса теплофизических характеристик продукта (класс Пі.. .П5), его толщины (5), температуры (tcp) и скорости циркуляции (юв) низкотемпературного воздуха от турбодетандера.
На рис. 3.6 представлена зависимость продолжительности (т) от класса замораживаемого продукта (Пі...П5), температуры воздуха (tcp = -60...-120 С) при одном из рассматриваемых условий теплообмена: толщина продукта 5 = 0,04 м, скорость воздуха сов = 5 м/с.
На рис. 3.7 показана зависимость т от П]...П5 при постоянной температуре tcp = -60 С и скорости воздуха (сов) и толщины продукта: а-в интервале 8 = 0,008...0,04 м; б-в интервале 5 = 0,04...0,072 м. Как видно из графиков, на продолжительность замораживания практически не влияет класс продукта, а значительно влияет его толщина в исследуемом интервале температур воздуха. Такая зависимость просматривается и при других исследуемых условиях теплообмена при замораживании пищевых продуктов низкотемпературным воздухом (табл. 3.4-3.8).
Степень влияния на (т) толщины (5) замораживаемого продукта рассмотрено на примере продуктов класса П] — мясопродукты (рис. 3.8, табл. 3.4). Так, повышение 8 с 0,008 м до 0,016 м увеличивает х в 2,3 раза, с 0,016 м до 0,024 м - в 1,7 раза, с 0,024 м до 0,032 м - в 1,5 раза. Дальнейшее повышение 8, в среднем, увеличивает х в 1,3 раза. Такая зависимость наблюдается и для других исследуемых классов продукта.
На примере продуктов класса Пі толщиной 8 = 0,04 м проведен анализ влияния на продолжительность замораживания (т) температуры (tcp) и скорости движения (шв) воздуха (рис. 3.9, табл. 3.4-3.8).
Так, например, при постоянной скорости потока воздуха сов = 5 м/с понижение температуры tcp в интервалах с -60 С до -70 С, с -70 С до -80 С сокращает тв 1,09 раза; дальнейшие интервалы понижения t (с -80 С до -90 С, с -90 С до -100 С, с -100 С до -110 С, с -110 С до -120 С) сокращают т, в среднем, в 1,05 раза. Такая тенден ция сохраняется и при других исследуемых толщинах (5) и классов пищевых продуктов.
Следует отметить, что при толщине продукта от 0,008 м до 0,04 м максимальная продолжительность процесса при tcp = -60 С составляет порядка 1 часа (5 = 0,04 м, т = 55,4 мин) при сов = 5 м/с, что обеспечивает условия быстрого замораживания (скорость замораживания соср = 7,94-10"6 м/с, см. раздел 2.3).
Время замораживания т при tcp = -60 С можно сократить за счет увеличения скорости движения воздуха (рис. 3.9, табл. 3.4-3.8). Так, например, при толщине продукта 8 = 0,04 м повышение скорости шв с 5 м/с до 10 м/с сокращает т на 10 %, до 15 м/с - на 20 %, до 20 м/с — на 32 %, до 25 м/с - практически на 50 %. Такой характер влияния на величину продолжительности скорости потока сохраняется и для других исследуемых толщин замораживаемого продукта.
Таким образом, анализ показал, что для пищевых продуктов толщиной до 0,04 м рациональной температурой воздуха можно считать tCp = -60 С при вариантах скорости его циркуляции (сов) от 5 м/с до 25 м/с, которую можно выбирать с учетом обеспечения требуемой для конкретного продукта продолжительности замораживания.
При замораживании пищевых продуктов толщиной выше 0,04 м (8 = 0,048...0,072 м) значительно увеличивается продолжительность процесса (табл. 3.4-3.8). В этом случае для обеспечения скоростей. процесса, характерных для режима быстрого замораживания, необходимо варьировать как температурой (tcp), так и скоростью (сов) воздуха, обеспечиваемых турбодетандером.
Так, для продукта 8 = 0,048 м время замораживания на уровне 1 часа (т = 60 мин) можно обеспечить при сов = 5 м/с температурой tcp = -90 —100 С (табл. 3.4). При увеличении скорости с 5 м/с до 10 м/с температуру воздуха можно повысить до tcp = -80 С (табл.3.5), а с 10 м/с до 15 м/с - Ц = -70 С, с 15 м/с до 20 м/с - tcp = -60 С.
Энергетическая оценка работы скороморозильного аппарата с низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки
Для оценки энергетической эффективности воздушного скороморозильного аппарата предложенной конструкции предлагается использовать термоэкономический метод, находящий широкое применение в холодильной технике.
Метод термоэкономического анализа основан на оценке энергетических и экономических затрат используемых холодильных систем, при этом используют понятие "эксергии" как носителя информации о преобразовании энергии.
"Эксергию" можно рассматривать как поток материальных затрат, направленных на достижение конечного результата - быстрого замораживания продукта.
Применительно к скороморозильной технике, с помощью величины эксергии можно оценить затраты энергии на понижение температуры и организацию движения охлаждающей среды, которые зависят от свойств продукта и условий оганизации процесса замораживания.
Метод эксергетического анализа использовался в работах Венгер К.П. [25], Буянова О.Н. [22] для оценки скороморозильного оборудования с машинной системой хладоснабжения, в работах Пчелинцева С.А. [70], Феськова О.А. [77] с проточной азотной, Антонова А.А. [2] и Бобкова А.В. [19] - с проточной низкотемпературным воздухом системами хладоснабжения.
Величина общей эксергии:
е = ев + ех, (4.1) где ев, ех - величины эксергии, соответственно, на организацию движения охлаждающей среды и понижение температуры, кДж/кг.
Величина эксергии (ев) [9, 10, 21, 22, 71]: ев=е в + Дев, (4.2) где, е в - величина эксергии, учитывающая состояние покоя газа воздуха, кДж/кг; А ев — потери эксергии при движении потока воздуха в туннеле, кДж/кг.
Величина эксергии при движении потока в туннеле зависит от значения эксергии воздуха в состоянии покоя (eBv), источника энергии для осуществления его движения, и скорости потока [71]: где eBv - значение эксергии состояния покоя газа, Дж/кг; Токр — температура окружающей среды, К; Тн - начальная температура продукта, К; АТт - изменение температуры продукта, К; 0т - температурный напор между средними температурами продукта и воздуха, К; Нв -напор воздуха, Па; Св - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кг-К; рв -плотность воздуха, кг/м ; АТВ - степень нагрева воздуха, К; Тв - КПД вытяжного вентилятора; Тэдв - КПД электродвигателя.
Потери эксергии, связанные с изменением температуры потоков воздуха при его движении в туннеле определяли по следующей зависимости: где qB - количество тепла, которое необходимо отвести с учетом мощности двигателя, qB = Zq + е в, Zq - суммарная тепловая нагрузка на туннельный аппарат при заданной производительности, кДж/кг.
Значение эксергии в процессе холодильной обработки продукта с учетом потерь [71]: ех=е\ + Аех, (4.6) где е х - эксергетическая холодопроизводительность, кДж/кг; Аех - потери эксергии, кДж/кг.
Величина эксергетической холодопроизводительности:
Потери эксергии при необратимом переходе потока теплоты при изменении температуры от Тср до Т0= Тср - 0О [71]:
В расчетах эксергии (eQ), (ех) и общей (е) использовали следующие данные:
1) постоянные величины:
- эксергия состояния покоя газа eBv = 18700 Дж/кг;
- температура окружающей среды Токр — 293 К;
- начальная температура продукта Т„ = 293 К;
- теплоемкость и плотность воздуха Св = 1200 Дж/кг-К; рв = 1,584 кг/м3;
- коэффициенты полезного действия Тв = 0,8; Тэдв = 0,91;
- изменение температуры продукта АТт = (tH - tK) = (20-(-5)) = 25 К.
2) переменные величины:
- напор воздуха Нв в зависимости от скорости воздуха (шв) и габаритных размеров воздухораспределительного устройства, Па;
- изменение температуры воздуха АТВ и температурные напоры @т, о в зависимости от температуры подаваемого воздуха (tcp);
- суммарная тепловая нагрузка Sq в зависимости от теплофизиче-ских характеристик пищевых продуктов (Пі...П5), температуры подаваемого воздуха (tcp) и габаритных размеров скороморозильного аппарата;
- производительность аппаратов G = 250, 500 и 1000 кг/ч.
Предварительно рассчитаны суммарные удельные теплопритоки, включающие в себя теплоприток через ограждение аппарата, теплоту, отводимую от продукта и эксплуатационные в зависимости от G , tcp и П]...П5. Результаты расчетов представлены в табл. 4.2.
Анализ полученных данных показал, что суммарное количество теплоты, которое необходимо отвести, практически не зависит от температуры используемого воздуха (tcp) для какого-либо из значений производительности (G1). Это связано с тем, что теплоприток через ограждение аппарата намного меньше теплоты, отводимой от продукта qi«q2. Поэтому в дальнейших расчетах можно использовать усредненные данные.
Согласно разработанной конструкции воздухораспределительного устройства (рис. 4.2) и трем его модификациям в зависимости от производительности аппарата (табл. 4.1) предложена, с учетом справочных данных [30, 31, 32, 39], методика и определены значения суммарного напора воздуха (приложение 5). Итоговые данные расчета суммарного напора воздуха (Нв) приведены в табл. 4.3.
С использованием предварительно рассчитанных данных определены значения эксергий (ев), (ех) и общей (е) в зависимости от класса пищевых продуктов (Пі...П5), температуры (tcp) и скорости циркуляции (сов) воздуха и производительности аппарата: G = 250 кг/ч (табл. 4.4); G = 500 кг/ч (табл. 4.5); G = 1000 кг/ч (табл. 4.6). В таблицах также указаны значения температурного напора (0т, уравнение 4.4) между температурами продукта и воздуха в туннеле.
Анализ полученных данных показал, что на величину общей эксергий (е) значительно влияет температура подаваемого воздуха (tcp) и незначительно класс замораживаемого продукта (рис. 4.5). Так, понижение tcp с -60 С до -80 С при постоянной скорости (сов) воздуха увеличивает величину (е) почти в два раза. Это характерно для каждого класса пищевых продуктов.
Расчеты показали, что на величину общей эксергий (е) практически не влияет скорость воздуха (сов), которая определяет составляющую (ев). Так, например, для класса продуктов Пі и температуре воздуха tcp = -60 С увеличение скорости со„ с 5 до 10 м/с повышает зна чение (ев) с 212 до 214 кДж/кг; до 15 м/с - до 216 кДж/кг; до 20 м/с -до 220 кДж/кг (табл. 4.4). Данная зависимость подтверждает эффективность предложенного в туннельном аппарате воздухораспределительного устройства (см. раздел 4.1), где не требуются дополнительные энергозатраты на организацию движения охлаждающей среды (вентиляторов).
Величина общей эксергии (е) значительно зависит от производительности скороморозильного аппарата (С) при постоянстве остальных параметров процесса (рис. 4.6). Очевидно, что чем больше производительность аппарата, тем меньше будет удельная (кДж/кг) тепловая нагрузка, т.е. величина эксергии (е).
Проведен сравнительный анализ, по величине общей эксергии (е), трех проточных систем хладоснабжения, использующих в качестве хладагентов жидкий азот (данные Пчелинцева С.А.), газообразный азот (данные Феськова О.А.) и низкотемпературный воздух от турбо-детандера с предлагаемой системой воздухораспределения в туннельном аппарате.
