Введение к работе
Актуальность работы. Постоянно осложняющаяся экологическая обстановка заставляет все больший приоритет отдавать продукции здорового питания населения. В связи с этим, разрабатываются полуфабрикаты и готовые изделия, в составе которых минимизировано содержание жиров и углеводов, в частности за счет увеличения использования фруктов и овощей. Одним из наиболее важных научно-технологических вопросов остается при этом сохранение качества плодоовощного сырья, как в процессе хранения, так и в процессе переработки.
При переработке фруктов и овощей часто технологические процессы имеют периодический характер и построены так, что активные этапы переработки чередуются с межоперационными перерывами. Это, например, относится к загрузке-выгрузке сырья и готовой продукции, регламентным работам по санитарно-техническому обслуживанию оборудования или по мере востребованности продукта переработки (в частности, свежеприготовленных фруктовых напитков в разнообразных автоматах). По статистике до 30% фруктов портится в процессе такого хранения, что является значительным показателем потерь данной продукции. Решение этой проблемы возможно при проектировании оборудования для кратковременного охлаждения и хранения плодов и овощей, небольшого объема, что уменьшит величину потерь в упомянутых типах процессов переработки сырья с высоким содержанием витаминов.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в такие исследования внесли отечественные и зарубежные ученые Гореньков Э.С., Бибергал В.Л., Дикие М.Я., Мальский А.Н., Антипов СТ., Бредихин С.А., Остриков А.Н., Шевцов А.А., Вороненко Б.А., Попов В.И., Арет В.А., Манжесов В.П., Kim S.J., Layrisse М., и другие.
В пищевой промышленности для решения указанных проблем наибольшее распространение получил способ с использованием холодильных установок с искусственным охлаждением, поддерживающих температуру близкую к температуре, удовлетворяющей биологические потребности плодов. Такие температурные условия препятствуют биологическим заболеваниям, обеспечивают сохранность и уменьшение потерь охлаждаемых продуктов. Вместе с тем, недостаточно разработаны конструкции аппаратов и исследованы параметры краткосрочного хранения плодов и овощей, хотя значительные потери сырья выявлены именно в период межоперационных перерывов в технологическом процессе. Не всегда в таких условиях применимы зависимости температуры различных фруктов и овощей при изменении характеристик охлаждающей среды.
Цель и задачи исследования. Цель работы - исследовать динамику процессов тепло- и массообмена в охлаждающих аппаратах, определить рациональные режимы процесса охлаждения и кратковременного хранения фруктов и овощей в проектируемом аппарате для охлаждения и межоперационного хранения плодов, повышающего энергоэффективность системы охлаждения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Анализ существующих технологий охлаждения и выявление наиболее перспективной из них с учетом современных достижений техники.
Определение возможных причин потерь продуктов при хранении и обоснование внедрения разрабатываемого оборудования для кратковременного хранения фруктов и овощей.
Разработка математической модели процессов тепло- и массообмена при охлаждении и проверка адекватности модели реальным производственным условиям.
Аналитическое исследование влияния параметров продукта на перепады температуры и влагосодержания в процессе охлаждения и кратковременного хранения.
Разработка усовершенствованной конструкции аппарата для охлаждения и кратковременного хранения плодов на основе анализа теплопритоков проектируемого аппарата в процессе эксплуатации.
Экспериментальное исследование режимов охлаждения и кратковременного хранения в охлаждающей камере и разработка рекомендаций по совершенствованию режимов.
- Сравнительный анализ и определение наиболее эффективных
параметров охлаждения и кратковременного хранения фруктов и овощей,
позволяющих минимизировать потери продукта.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
Разработана математическая модель процессов тепло- и массообмена в камере охлаждения и кратковременного хранения продуктов, отличающаяся учетом псевдостационарного воздействия источников охлаждения при симметричных граничных условиях тепло- и массообмена.
Получены экспериментальные данные по распределению температуры в образцах, подвергаемых охлаждению в лабораторных условиях, подтвердившие адекватность предлагаемой модели.
Разработана схема аппарата для кратковременного хранения фруктов и овощей, приближенных к сферической форме на основании предложенных моделей тепловых потоков в проектируемой установке, позволяющих описать распределение тепла в установке и подобрать необходимые конструктивные параметры.
- Оценена эффективность и рациональные параметры процесса
охлаждения продукта для межоперационного хранения плодов и овощей.
Практическая значимость работы:
- На основе сделанных предложений разработана конструкция аппарата
охлаждения и кратковременного хранения плодов и овощей;
- Разработанная конструкция повышает эффективность охлаждения
продукта без подмораживания и имеет конструкцию, предотвращающую
слеживание продукта в процессе хранения;
Разработанный аппарат имеет компактную конструкцию и может быть использован в качестве узла в более сложном оборудовании.
Даны рекомендации по совершенствованию режимов охлаждения и хранения и применению их в производстве.
Разработаны принципиальные схемы дополнительных устройств для комплектации аппарата при работе в автономных условиях, например, в составе линии для приготовления «смузи»: патент РФ №131996 на полезную модель «Устройство для измельчения фруктов и овощей», от 10.09.13 и патент РФ №141084 на полезную модель «Устройство для хранения фруктов и овощей», от 16.10.2013.
Методология и методы исследования.
Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ охлаждения и хранения плодоовощного сырья, методы современного компьютерного моделирования. Для проведения экспериментальных исследований использовались поверенные приборы для визуального контроля и записи измеряемых величин. Моделирование процесса взаимодействия инструмента с материалом проводили в компьютерных программах: COMSOL Multiphasics, Kompas3D. Обработка результатов, полученных данных производилась в программах Excel и Mathcad.
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель процессов тепло- и массообмена при охлаждении, численная проверка которой показала адекватность реальным производственным условиям.
Результаты теоретического и экспериментального исследований влияния параметров продукта на перепады температуры и влагосодержания в процессе охлаждения и кратковременного хранения и выявлены рациональные параметры их изменения.
Конструкция узла аппарата для охлаждения и кратковременного хранения плодов и овощей с подбором вспомогательного оборудования для санкционированных теплопритоков в проектируемом аппарате и его опытно-лабораторная модель.
- Результаты сравнительного анализа и наиболее эффективные параметры
охлаждения и кратковременного хранения фруктов и овощей, позволяющих
минимизировать потери продукта.
- Модель распределения теплоты в конструктивных элементах
разработанного аппарата кратковременного хранения плодов и овощей.
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием стандартных и общепринятых методов анализа. Предложенное техническое решение защищено охранным документом ФИПС "Устройство для хранения фруктов и овощей" (Патент РФ № 141084 от 16.10.2013).
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором, представлены в докладах на тринадцати Международных и Всероссийских научных конференциях: победитель 6 Международной научно-
технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в 21" в секции №5 " Техника и процессы пищевых производств"; Всероссийский конгресс молодых ученых. НИУ ИТМО - 2013-2016; 6-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» - 2013, г. Бийск, 22.05.13-22.05.13; «Информационные технологии, энергетика и экономика» XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов -2014; Международная выставка изобретений и инноваций (серебряная медаль) Воронеж - 2016, 26.05.2016- 26.05.2016; XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО- 2017, 31.01.2017-03.02.2017 г. Санкт-Петербург.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ, а также получено 3 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов; содержит 139 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц, 46 рисунков, 4 приложения и библиографический список из 160 наименований.