Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 6
1.1 Анализ работ по интенсификации замораживания мяса с помощью электрических разрядов 6
1.2 Тепло-массо-электроперенос при замораживании мяса 22
1.3 Классификация способов интенсификации процесса замораживания мяса с использованием электротехнологии 30
1.4 Выводы по главе 1 32
Глава 2 Техника и методика эксперимента 34
2.1 Схема стенда ; 34
2.2 Постановка опытов и методика эксперимента 38
2.3 Выводы по главе 2 40
Глава 3 Результаты экспериментов 41
3.1 Результаты и анализ экспериментов по замораживанию мяса в условиях несамостоятельного электрического разряда 41
3.2 Стохастический резонанс электрических импульсов при замораживании мяса 52
3.3 Анализ экспериментов по защите объектов от электрических полей и использованию электроимпульсов в условиях вакуума 60
3.4 Анализ экспериментов по защите объектов от электромагнитных полей 65
3.5 Термометрия вусловиях фазового перехода 67
3.6 Выводы по главе 3 73
Глава 4 Физико-математическое моделирование процесса интенсификации замораживания мяса 74
4.1 Физическая модель внешнего и внутреннего переноса электрической энергии в процессе замораживания мяса 74
4.2 Математическая модель стохастического резонанса электрических импульсов при замораживании образцов мышечной ткани свинины ...77
4.3 Выводы по главе 4 84
Глава 5 Гистологические исследования и качественная оценка мяса ...85
5.1 Методика исследования образцов мяса из говядины и свинины 85
5.2 Результаты исследования образцов мяса из говядины и свинины дефростированного после замораживания традиционным способом и способом с использованием слабых электроимпульсных полей 86
5.3 Качественная оценка мяса 92
5.4 Выводы по главе 5 94
Глава 6 Практическая реализация результатов исследования 95
6.1 Влияние электрических разрядов при интенсификации замораживания мяса на экологические показатели 95
6.2 Устройство для интенсификации процесса замораживания мяса с использованием слаботочных электрических импульсов 101
6.3 Выводы по главе 6 103
Основные результаты и выводы 104
Список использованной литературы 106
Приложения 116
- Тепло-массо-электроперенос при замораживании мяса
- Постановка опытов и методика эксперимента
- Стохастический резонанс электрических импульсов при замораживании мяса
- Математическая модель стохастического резонанса электрических импульсов при замораживании образцов мышечной ткани свинины
Введение к работе
Создание достаточных запасов пищевых продуктов и возможность их хранения - считается одной из главных задач пищевой промышленности. Важную роль в сохранении качества продуктов питания занимает процесс замораживания и последующего их холодильного хранения.
Сезонность поступления сырья, наращивание темпов производства и объемов выпуска продукции мясной промышленности, увеличение грузооборота на холодильных предприятиях в условиях рыночной экономики - основные факторы, вызывающие необходимость расширения исследований в области холодильной технике и технологии.
В изменившихся условиях хранения мясопродуктов возникла проблема значительного увеличения естественной усушки мяса, приводящая к повышению себестоимости продукции. Для решения данной проблемы требуют рассмотрения следующие научно-технические задачи:
- совершенствование процесса холодильной обработки мяса;
- переориентация процесса холодильной обработки мяса на
повышенные температурные режимы в связи с краткосрочностью его
хранения;
- сохранение качества выпускаемой продукции.
Нельзя не учитывать возрастающую стоимость энергетических и сырьевых ресурсов, так как этот фактор все в большей степени влияет на оценку эффективности работы холодильного оборудования и процесса холодильной обработки пищевых продуктов. Для решения этих проблем необходимо разрабатывать различные способы, интенсифицирующие теплообмен, позволяющие рационально
использовать энергию и сырье, прежде всего в таком энергоемком и отличающимся значительными потерями сырья процессе, как хранение мяса. Интенсификация процесса теплообмена приводит к уменьшению необходимой площади поверхности теплообмена, габаритных размеров аппарата, его материалоемкости и стоимости, а также позволяет сократить коэффициент рабочего времени и потери электроэнергии холодильного аппарата.
Совершенствование процессов замораживания, использование рациональных режимов хранения продуктов во многом определяется нашими познаниями относительно закономерностей изменения состояния влаги и характера её связи при отрицательных температурах.
В связи с этим, интенсификация замораживания мяса представляется важнейшей задачей. В этой ситуации обработка мяса возможна за счет использования импульсов слабого тока, являющихся высокоэффективным и малоэнергоемким средством воздействия на продукт.
Приведенные выше проблемы и их решения, связанные с эффективностью процессов холодильной обработки пищевых продуктов в условиях интенсивного грузооборота, позволят значительно снизить энергозатраты на производство и потребление искусственного холода и сохранить качество товаров, доходящих до потребителя, что является актуальной проблемой.
Настоящая работа посвящена совершенствованию процесса замораживания мяса на основе изучения влияния слаботочных импульсов на его состояние. Целью работы является интенсификация процесса замораживания мяса на основе изучения фазовых переходов его компонентов с использованием слаботочных электроимпульсных воздействий.
Тепло-массо-электроперенос при замораживании мяса
Анализ применяемых в настоящее время теорий тепло-массо-электропереноса позволил обратить внимание на то, что большинство из них, как правило, рассматривают первые две составляющие, т.е. тепло-массоперенос, а о третьей составляющей имеются разрозненные сведения у различных авторов, не связанные с тепло-массопереносом при замораживании мяса, требующие более подробного изучения.
Высказывалось мнение о возможности существенно сократить продолжительность замораживания воды в магнитном поле, не меняя условия отвода тепла, а также судить об изменении пищевых достоинств продуктов по времени спин-решеточной релаксации содержащейся в них воды. Спин-решеточной релаксацией называют переход ядер между двумя состояниями с различными значениями проекции спина за счет теплового движения соседних атомов и молекул. Избыток энергии при этом рассеивается по внутренним степеням свободы образца («решетке»), т. е. превращается в тепловую энергию
Ряд авторов в работах [70,83] отмечают, что интенсивностьизменения качества неупакованного замороженного мяса при хранениизависит от температурно-влажностного режима в камере и оцениваетсякомплексом показателей, выражающих зависимость скоростибиохимических процессов от температуры хранения, скоростиобразования метмиоглобина (Метмиоглобин— производноемиоглобина, лишенное способности переносить кислород в связи с тем, что железо гема находится в трехвалентной форме), снижения перевариваемости белков мяса и накопления свободных жирных кислот. Эта зависимость, как показали исследования, проведенные во ВНИХИ, описывается уравнением Аррениуса, т.е. экспоненциальной кривой. Так, при снижении температуры хранения с —18 до —30 С скорость образования метмиоглобина, определяющая сохранение цвета мяса, снижается приблизительно вдвое.
На сокращение усушки замороженного мяса в процессе хранения влияют те же самые факторы, которые обусловливают стабилизацию качества продуктов. Однако при интерпретации действия этих факторов авторы часто приводят противоречивые, а иногда взаимоисключающие аргументы. Поэтому требуется последовательный анализ совместного переноса теплоты, массы влаги и электричества от складированного продукта с учетом поверхностных явлений на границах раздела фаз в условиях воздействия внешних полей. Такой анализ возможен, по-видимому, только для стационарных режимов в камерах хранения. Основная трудность правильной оценки теплофизической обстановки в камерах хранения и ее влияния на величину усушки продукта связана с » неопределенностью условий протекания процессов внешнего тепломассообмена, а также с варьированием соотношения между массой и площадью поверхности продукта в значительных пределах. Кроме того, при хранении продуктов на распределительных холодильниках имеют место частые возмущения режима, последствия которых трудно поддаются учету. По этим причинам количество испарившейся влаги рассчитывают на основании опытных норм естественной убыли, которые дифференцированы относительно вида хранящихся продуктов, режима и сроков хранения, времени года и климатических условий.
Интенсивность потерь массы значительно изменяется на протяжении года, будучи летом в 2...4 раза выше, чем зимой. Уровень потерь зависит также от системы охлаждения камер хранения; при использовании для этой цели воздухоохладителей потери неупакованного замороженного мяса на 50 ..60% выше, чем при использовании батарейных систем охлаждения в виде пристенных и потолочных охлаждающих приборов.
Ряд авторов [14,24] считает, что в процессе холодильного хранения мяса решающую роль играет относительная влажность воздуха, величина которой оказывает прямое влияние на потери массы продукта. В то же время рассматриваемая ими упрощенная модель переноса теплоты и массы в камерах холодильного хранения построена в предположении отсутствия каких-либо источников дополнительного увлажнения воздуха, помимо испарения влаги из продукта. Исключен также радиационный перенос теплоты, поскольку в радиационном теплообмене участвует не вся масса штабелей продуктов, а лишь часть ее (не более 20%), находящаяся в сфере влияния внешних ограждений. Таким образом, подобная модель не учитывает роль таких мероприятий по снижению усушки продукта, как увлажнение воздуха путем сублимации с развитой поверхности льда, экранирование наружных стен холодильных камер и др.
Как отмечает А.В. Лыков в своей работе [48], для описания массообменных процессов в камерах холодильников при хранении мяса в перенасыщенном влагой воздухе наиболее приемлема теория потенциалов массопереноса. Согласно ей перенос теплоты и массы вещества рассматривается как взаимосвязанный процесс. Для расчета необходимой степени насыщения воздуха в камере используются уравнения взаимосвязанного тепло- и массообмена. Из анализа этой теории следует, что оптимальным условием хранения, обеспечивающим отсутствие усушки мяса, является равенство температур поверхности продукта и окружающей среды (ТВ=ТМ и Тв—Тм=0) и 100%-ная относительная влажность.
В своей работе [75] автор определяет обобщающий потенциал тепломассообмена Лц/ между продуктом и охлаждающими батареями.
Как отмечает автор, обобщающий потенциал складывается из разности химических потенциалов окружающего продукт воздуха, выражающей поток массы под действием разности парциальных давлений паров воды у поверхности продукта при 100%-ной влажности в окружающем пространстве, и термической составляющей, определяющей перенос массы под действием разности температур между поверхностью продукта (Тп) и окружающим её воздухом (Т0).
Обобщающий потенциал массообмена выглядит следующим образом:где А у/ -обобщающий потенциал тепломассообмена, Дж/Кмоль;А// - разность химических потенциалов, Дж/Кмоль;0„- потенциал влажности (характеристика состояния влаги вматериале, определяющая влагоперенос), определяемыйэкспериментально при помощи контактного равновесия обводненного материала с эталонным телом, Дж/К моль;
AT - разность температур между поверхностью продукта и окружающим её воздухом, КАвтор [15] рассматривает одномерную задачу замораживания мяса, которая отличается простой математической формой описания основных процессов замораживания и достаточно полно учитывает основные факторы, влияющие на процесс движения фронта кристаллизации и релаксацию температурного поля при домораживании (рис.5).
Постановка опытов и методика эксперимента
Исследуемый образец мышечной ткани свинины (1-й сорт, вес 80гр) помещали в холодильную камеру габаритами 1 х 2,3 х 6 м. Параметры воздуха в холодильной камере: температура воздуха —15 С, скорость воздуха 0,2 м/с. В камере находился генератор электрических импульсов высокого напряжения, генерирующий импульсное электрическое поле с выходными параметрами электрических импульсов диапазона (f-20-ЮООО Гц, N=1-50), которое индуцировалось на исследуемый образец с помощью экрана площадью 4,4 х 10"4 м2 , выполненного в виде медной пластины. Параметры поля на образце измеряли зондом в виде медной пластины площадью 1 х 10"6 м" мм, присоединенным к компьютеризированной системе.
Эксперимент начинали при установившемся режиме работы холодильного агрегата. Показания температур замеряли и записывали с помощью персонального компьютера постоянно и непрерывно. Для проверки достоверности результатов измерения температуры, на образце был закреплен ртутный термометр, показания которого фиксировали визуально, а время изменения температуры также дублировали с помощью электронного секундомера. Начальная температура образцов мяса составляла плюс 2 С, конечная минус 8 С. Эксперимент включал в себя 3 стадии: фиксация температуры в 3 точках на мышечной ткани исследуемого образца мяса. Результаты измерений представлены в виде графиков изменения температуры, зафиксированных компьютерной системой, а также дублирующего графика в виде трёх кривых, полученных с помощью визуального наблюдения результатов.
Эксперимент по использованию электроимпульсов в условиях вакуума проводили следующим образом: исследуемый образец мяса помещался в герметичную стеклянную колбу, где создавался вакуум (до 266Па) с помощью вакуумного насоса ВН-0,1. Также в колбу с образцом помещались металлический датчик в виде пластины, который информировал о наличии электрического сигнала на образце и его характеристиках. Помимо электродатчика, в колбе присутствовала хромель-копелевая термопара диаметром 0,2 мм, которая с помощью электрических проводников тока соединена с компьютеризированной системой. Проводимый опыт включал в себя следующие эксперименты. В первом эксперименте измеряли температуру, скорость изменения температуры, и наличие электростатических колебаний . при замораживании образца в колбе с вакуумом без применения внешнего электроимпульсного поля. Во втором эксперименте измеряли те же самые параметры, что и в первой, но с учетом действия электрических импульсов, создаваемых генератором электрических импульсов высокого напряжения.
Всего было проведено несколько серий опытов:- изучен фазовый переход воды, а затем образца мяса, на предмет возникновения электрического импульса при фазовом переходе;- исследовано влияние электрического поля, создаваемого генератором, на датчики из металла и диэлектрика;- изучено влияние электрического поля генератора на электрический импульс, создаваемый при фазовом переходе влаги в экспериментальных образцах;- изучены экологические показатели воздушной среды при замораживании экспериментальных образцов с применением электроимпульсного поля;- исследовано влияние площади поверхности и дальности расположения электрода, подключенного к генератору импульсов высокого напряжения от исследуемых образцов и датчиков из металла и диэлектрика.1. Разработан экспериментальный стенд для исследования слаботочных электрических импульсов, возникающих в процессе фазовых переходов компонентов мяса.2. Проведены экспериментальные исследования по замораживанию мяса с использованием слаботочных электрических импульсов.3. Разработан метод записи температурного режима в виде электрического сигнала, визуализирующийся на монитор персонального компьютера, при замораживании образцов мяса.
Нами подтверждено предположение о возникновении электрических зарядов, образующихся при фазовых переходах воды. Как известно, движение молекул и ионов жидкости представляет собой сочетание колебательного и вращательного движения их около некоторых условных центров с беспорядочным перемещением этих центров. Кристаллизация жидкостей представляет собой фиксацию некоторого расположения частиц (молекул, ионов) относительно друг друга, когда при общем резком сокращении энергии их движения они взаимоориентируются в определенном порядке, присущем их положению в кристалле. Понижение температуры жидкости выражается в сокращении энергии колебательного и вращательного движения. Фазовое превращение начинается при отводе тепла в момент нарушения состояния переохлаждения, в тот же момент времени образуются заряды [26]. При отводе тепла от жидкости, температура ее понижается и уменьшается энергия движения частиц. Наступает такое соотношение энергии теплового движения и величины зарядов, когда начинается взаимоориентация частиц. Образования из некоторого количества устойчиво связавшихся одна с другой, правильно ориентированных частиц служат центрами кристаллизации, на которых происходит дальнейшая ориентация частиц из окружающей жидкости. Теоретически этот процесс можно свести к действию зарядов. Рост кристалла возможен лишь в том случае, когда действие теплового
Стохастический резонанс электрических импульсов при замораживании мяса
В.В. Илюхиным была выдвинута гипотеза о влияниистохастического резонанса на процесс управлениятепломассопереносом при наведенной электростатической индукции. Используя современную компьютерную систему (рис.7) нам удалось обеспечить подтверждение гипотезы согласно схеме, представленной на рис. 20.
Таким образом, по выдвинутой гипотезе, одной из причин интенсификации процесса замораживания является стохастический резонанс электрических импульсов. Стохастический резонанс как явление был открыт в 1981 году итальянскими физиками Р. Бензи, С. Сутерой и В. Вулпиани. [80] Физический смысл стохастического резо нанса такой: на вход системы поступает случайный и слабыйпериодический сигналы. Если на выходе будет наблюдаться регулярный сигнал (с небольшими флуктуациями), намного превышающий по интенсивности периодическую составляющую на входе, то можно говорить о стохастическом резонансе. Суть эффекта заключается в том, что слабый периодический сигнал захватывает крупномасштабные флуктуации таким образом, что периодический компонент усиливается во много раз. Другими словами, если при росте интенсивности шума на входе устройства, на его выходе будет увеличиваться отношение сигнал/шум (классическая мера качества сигнала), то мы имеем дело со стохастическим резонансом, (рис. 19) С математической точки зрения это означает, что функция интенсивности шума должна иметь максимум в точке, отличной от нуля [80]. r(Vt)=r(0)exp(Vt), где: г(0) - равновесная частота генерации, Гц, r(Vt) - интенсивность шума дБ, Vt - входной сигнал, складывающийся из периодической и случайной компонент, В. Зависимость отношения сигнал/шум на выходе системы имеет максимум, что и свидетельствует о наличии стохастического резонанса. В этой системе сколь угодно малые изменения на входе приводят к изменению частоты генерации даже при отсутствии внешнего шума. На рис. 21 четко прослеживаются электрические униполярные импульсы, возникающие в образце мышечной ткани свинины при фазовых переходах влаги. Также прослеживается тенденция затухания электрических импульсов, как следствие диссипативности этой колебательной системы.
На рис.22 представлена осциллограмма электроимпульсного сигнала генератора, полученных зондом на антенне-излучателе, подсоединенной к генератору электрических импульсов высокого напряжения. Параметры данного сигнала: f-300 Гц, Q-3, U- 100 мВ.
На рис.23 представлена осциллограмма стохастического резонанса электрических импульсов, составляющими которых являются электроимпульсные сигналы, представленные на рис. 21 и 22и,мВ Рис. 23 Стохастический резонанс электрических импульсов
Таким образом, сложение электрических сигналов в виде осциллограмм составляющих резонанса, в совокупности дает осциллограмму стохастического резонанса электрических импульсов, представленную на рис. 23.
С целью определения параметров электроимпульсов, при которых максимально интенсифицируется процесс замораживания мяса были проведены серии опытов и получены данные, на основе которых построены графики (рис. 24-26) Рис. 25 Зависимость времени процесса замораживания образцов мышечной ткани свинины от частоты импульсов электроимпульсного поля с параметрами (Q-3, U- 10000В)
Оптимальный параметр, влияющий на интенсификацию процесса замораживания мышечной ткани свинины — это частота импульсов г 200 ГцЗатем последовательно в каждом эксперименте изменяли
Рис. 26 Кинетика замораживания образцов мышечной ткани свинины с различной скважностью и одинаковой частотой (f-200 Гц, U- 10000В)
При скважности импульсов Q=2, частоте импульсов f=200 Гц,амплитуде U-10000 В, время замораживания сократилось в 1,4 раза, посравнению с процессом замораживания образца без участия внешнегоэлектроимпульсного поля. Таким образом, параметрыэлектроимпульсных сигналов при которых максимально интенсифицируется процесс замораживания мышечной ткани следующие: f-200 Гц, Q-2, U-10000В.
На основании экспериментальных данных по частоте и скважности электрических импульсов, при которых интенсифицируется процесс замораживания мяса, (рис.25,26) построена поверхность отклика зависимости времени замораживания образцов мышечной ткани свинины от частоты и скважности внешних электрическихсигналов (рис. 27)
Математическая модель стохастического резонанса электрических импульсов при замораживании образцов мышечной ткани свинины
При математическом моделировании стохастического резонанса условно не учитываются факторы, не оказывающими существенное влияния на ход изучаемого процесса. При моделировании были допущены следующие условности, допущения и положения:
Внешний сигнал может быть дискретным, гармоническим, «цветным» шумом (частотный спектр неравномерный, то есть модулирован какой-либо функцией) или «белым» шумом (спектральные составляющие шума равномерно распределены по диапазону 20-20000Гц). В любом случае реальная система приводит внешнее электромагнитное поле к понятию шума, так как к данному электромагнитному полю сигнала добавляется некоторое количество внешних, реально существующих электромагнитных полей (внешний шум), заранее пренебрегать влиянием которых некорректно (мощности их могут быть соизмеримы с мощностью электромагнитного поля замораживаемого образца мяса). Следует отметить, что гармонический или дискретный периодический сигналы в реальных условиях удается создать лишь с определенной степенью точности. Поэтому внешний сигнал необходимо рассматривать как некоторую случайную стохастическую величину Х0, изменяющуюся в соответствии с внешним сигналом с определенными флуктуациями за счет внешнего шума, зависящую от времени и, следовательно, представимую в виде разложения в ряд Фурье. В экспериментальных исследованиях внешний сигнал выбирают гармоническим и подбирают к данной системе по интенсивности и частоте, а внешние электромагнитные поля имеют в совокупности природу «белого» шума. В качестве образца мяса, где происходит генерирование электрических импульсов при фазовом переходе выбрана мышечная ткань свинины.
Образец мышечной ткани свинины, состоящий из конечного числа влагосодержащих клеток (п), обладает электромагнитным полем, образованным электромагнитными полями клеток при фазовом переходе первого рода; каждой из них поставим в соответствие стохастическую величину Х{ (где / = 1, 2, :, п). Для выполнения математических преобразований удобнее пользоваться значениями не самих величин X, (где і = 0, 1, 2, :, +со), а преобразованными по некоторому закону стохастическими величинами Yk (где к= 1, 2, :, +оо). Отметим, что количество новых переменных Y не обязательно должно совпадать с количеством элементов (/ + 1) системы и может зависеть как от одной, так и от нескольких Xt.
Для рассматриваемой системы, состоящей из замораживаемого образца мышечной ткани свинины важно отметить, что она обладает свойством марковости. Марковский процесс определяется как стохастический процесс, обладающий следующим свойством: для любого набора п последовательных моментов времени tj t2«tn параметры системы в момент времени tn однозначно определяются значениями параметров в момент времени tn.j и не зависят от каких-либо значений параметров в более ранние моменты времени (так называемые системы с короткой памятью). Более современная теория фракталов не подходит для описания стохастического процесса, т.к. описывает множество, получающиеся в результате линейных (аффинных) сжимающих отображений подобия.
В роли параметров, скорее всего, будут условные плотности вероятностей нахождения системы в возможных состояниях. Таким образом, для описания процесса поведения системы, обладающей свойством марковости, необходимо знать два ближайших состояния для того, чтобы выстроить всю последующую цепочку состояний. Это положение существенно упростит математические выкладки и позволит найти необходимую закономерность в поведении системы "электромагнитное поле - биообъект". Система изменяет свои микроскопические параметры за счет изменения параметров на клеточном уровне под воздействием внешнего электромагнитного поля, которое для каждой клетки является совокупностью электромагнитных полей внешних сигнала и шума и полей (и-1) клетки образца мяса. Эти изменения зависят лишь от двух величин: состояния системы и внешнего электромагнитного поля в данный момент времени, и, следовательно, не зависят от предшествующих состояний, что показывает обладание системой свойства марковости.
Общая проблема определения собственных колебаний, а тем более резонансного скачка чрезвычайно сложна, однако для модельных образцов мяса простейшей формы решение получается в явном виде. Для упрощения расчетов собственных колебаний при фазовом переходе в первом приближении делаем допущение, что проводимость образца по всему объему одинакова. Во втором приближении поправки на конечную проводимость можно получить, используя граничные условия Леонтовича [69]. Далее для упрощения составления математической модели будем предполагать, что все величины поля меняются по закону
Для составления математической модели стохастического резонанса и математического описания импульсов был использован метод эффективного спектрального представления сигналов, впервые предложенного Ж.Фурье.
Фурье доказал, что любой сигнал можно представить в виде суммы гармонических составляющих (спектра), амплитуды и частоты которых можно определить с помощью прямого преобразования Фурье. Этот
