Содержание к диссертации
Введение
Глава I Перспективы интенсификации теплообмена на основе анализа способов и режимов размораживания 6
1.1. Состояния и пути совершенствования способов размораживания пищевых продуктов 6
1.2. Размораживание при поверхностном энергоподводе 7
1.3. Размораживание при объемном энергоподводе 22
1.4. Размораживание при комбинированном энергоподводе 25
1.5. Цель и задачи исследований 28
Глава II Теплофизические, физико - химические, и структурно -механические свойства рыбного сырья как объекта размораживания 30
2.1. Изучение кинетики размораживания 30
2.2. Определение теплофизических характеристик гидробионтов 34
2.2.1. Определение коэффициента температуропроводности гидробионтов 36
2.2.2. Определение коэффициента теплопроводности гидробионтов 42
2.2.3. Определение удельной теплоемкости гидробионтов 48
2. 3. Плотность рыбного сырья с различным агрегатным состоянием влаги 52
2.4. Удельная теплота льдообразования 53
Глава III Экспериментально-аналитическое изучение кинетики размораживания 55
3,1 Выбор объекта исследования и его общая характеристика 55
3.2. Выбор перспективного способа размораживания рыбного сырья блочной заморозки 57
Глава IV Механизм теплопереноса в процессе размораживания 94
4.1. Аналитическое исследование процесса переноса тепла при размораживании 96
4.2. Приближенный метод расчета процесса размораживания 109
Глава V Численно - аналитический расчет полей температур при размораживании 113
Глава VI STRONG рекомендации по практическому использованию результатов исследования 132
Общие выводы и заключение STRONG 138
Список использованной литературы 140
Приложение 1 152
Приложение 2
- Размораживание при поверхностном энергоподводе
- Определение теплофизических характеристик гидробионтов
- Выбор перспективного способа размораживания рыбного сырья блочной заморозки
- Приближенный метод расчета процесса размораживания
Введение к работе
В настоящее время интенсификация теплообменных процессов определяет перспективные пути совершенствования технологического оборудования в пищевой промышленности, которые тесно связанны с вопросами надежности, энергосбережения, максимального сохранения качества обрабатываемого продукта на каждом этапе технологической цепи, сокращения потерь сырья при его обработке. Более 70 % вырабатываемой пищевой продукции приходится на долю мороженых продуктов. В этой связи разработка рациональных, энергосберегающих режимов размораживания является актуальной задачей, решение которой зависит от множества факторов (вида и параметров теплоносителя, способа его подвода и т.д.).
Значительный вклад в развитие теории размораживания и создание новых видов размораживающих установок внесли В.М. Стефановский, Г.Б Чижов, Н. А. Головкин, И. Г. Алямовский, Н. А. Воскресенский, В. П. Зайцев, В,В. Станкович, И.И. Горбатов, Н.П. Янушкин, В.А. Попов, А.Г. Ханжин и др.
Очевидно, что создание рациональной технологии невозможно без комплексного изучения свойств объекта и режимных параметров процесса холодильной обработки, заключительным этапом которой является размораживание.
До настоящего времени на многих рыбоперерабатывающих предприятиях используют традиционный способ размораживания гидробионтов в воде, который неудовлетворительно сказывается на качестве размораживаемого гидробионта, имеет сравнительно большой удельный расход теплоносителя, значительное время размораживания. Это вызывает необходимость более глубокого изучения режимов размораживания с точки зрения интенсификации процесса и снижения расходов теплоносителей.
Теоретические и экспериментальные исследования методов интенсификации процессов размораживания, их моделирование и оптимизация имеют практическую и научную значимость для рыбообрабатывающей отрасли. Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ под руководством доцента, кандидата технических наук В.Н. Лысовой и профессора, доктора технических наук И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Автор выражает глубокую признательность главному инженеру ОАО «Астраханского рыбокомбината» Т.Н. Порфирьеву за оказанную помощь в постановке и проведении экспериментов.
Размораживание при поверхностном энергоподводе
Наиболее распространенным способом размораживания является конвективный нагрев. Чаще всего в пищевой промышленности применяют размораживание в воздушной (паровоздушной) среде и размораживание в воде. Воздух, как рабочий агент распространен, как наиболее дешевый теплоноситель. Юшимуту К. [107] при анализе способов размораживания делает вывод, что благодаря малой скорости размораживания значительно облегчается контроль за изменением температуры в теле рыбы. Это имеет значение в тех случаях, когда при производстве рыбной продукции (например, рыба холодного копчения, фарш и филе двухкратного замораживания [107], балыка) предусматривается применение не полностью размороженного сырья. Показано [107], что практически единственным преимуществом воздушного размораживания является относительно низкая потеря тканевого сока, что наблюдается не всегда, а лишь в тех случаях, когда значительная часть кристаллов льда находится не в клетках, а в межклеточном пространстве рыбы. Последнее обычно характерно для рыбы, замороженной с низкой скоростью или хранившейся длительное время, как до замораживания, так и после замораживания. Другим примером положительного влияния низкой скорости размораживания является повышение сочности мяса моллюсков при размораживании на воздухе в сравнении с быстрым размораживанием в воде, при котором продукт получается менее сочным.
Согласно результатам исследований А. И. Пискарева [64] медленное размораживание рыбы, является существенным недостатком этого способа, вследствие малой скорости процесса, возможности осеменения рыбы микроорганизмами, повышенных потерь тканевого сока, ухудшение вкусовых качеств, интенсивное развитие плесеней на поверхности рыбы.
Авторы [64, 105, 196] не пришли к единому мнению о потери тканевого сока при воздушном размораживании. Поэтому трудно судить о преимуществе этого способа с точки зрения изменения массы. В то же время результаты рассмотренных работ наглядно демонстрируют ограниченность размораживания рыбы в воздушной среде. При этом она размораживается в нерегулируемых условиях, что приводит к снижению ее качества.
Для сокращения продолжительности процесса на предприятиях рыбной промышленности применяется способ размораживания в потоке воздуха при регулируемых влажности, температуре и скорости движения теплоносителя. По данным В. П. Быкова [18] оптимальным режимом размораживания является режим при относительной влажности 100%, температуре 19-2 ГС и скорости движения нагревающего агента около 7 м/с. Скорость процесса при этом увеличивается на 10-15%. Наиболее приемлемым считается способ увлажнения паром.
Аналогичные результаты были получены М. Хакаде [105], James [123], Merritt [128]. Авторами отмечалось, что этот способ более приемлем для нежирных пород рыб, так как существенным недостатком размораживания рыбы в потоке влажного воздуха является значительное окисление жира. Анализируя способы размораживания рыбы в воздушной среде, можно сделать следующие выводы. Все перечисленные способы характеризует один общий признак — в качестве теплоносителя используется воздух или паровоздушная смесь. Применение воздуха для целей размораживания оправдано благодаря его доступности, в то же время при использовании воздуха значительно снижается коэффициент теплоотдачи, по сравнению с жидкостной дефростацией. Вследствие большой продолжительности процесса увеличивается потребность в производственных площадях, что ограничивает применение воздушного размораживания. Для интенсификации процесса размораживания необходимо увеличить коэффициент теплоотдачи. В этом отношении ни повышение температуры воздуха, ни увлажнение его не решают поставленную задачу. Поэтому целесообразно выбирать в качестве теплоносителя среду с большим коэффициентом теплоотдачи, чем у воздуха.
Применение жидкости в качестве теплоносителя имеет определенные преимущества, в частности, теплоемкость воды в 4 раза выше теплоемкости воздуха, кроме того, коэффициент теплоотдачи от воды к продукту в 20-КЇ0 раз больше, чем от воздуха.
Исследование перспективности использования воды в качестве теплоносителя проводилось неоднократно. Результаты работ Н. А. Головкина, Г. Б. Чижова, П.А. Кохова и др. [27, 63] по размораживанию свидетельствуют о том, что при температуре 10 — 40 С процесс размораживания в воде происходит в 3-4 раза интенсивнее, чем при этих же температурах на воздухе. Т.е. применение способа размораживания в воде не оказывает существенного влияния на качество изготовляемой продукции. Однако при оценке способа размораживания нельзя не учитывать вероятность увеличения потерь растворимых веществ. Необходимо также иметь ввиду, что при размораживании рыбы в воде увеличивается возможность инфицировать ее микроорганизмами [102]. Lorentzen [124] были проведены технологические и экономические исследования различных способов размораживания. Его выводы, основанные на сенсорной оценке ряда новейших способов размораживания, показывают, что наиболее экономически и технически целесообразным способом, применительно к средним и крупным видам рыб (блокам, попарно, поштучно) является размораживание водой, Аналогичные выводы дал Jason при сравнительной характеристике способов размораживания [121]. По данным [117] размораживанию в воде так же отдано предпочтение, как процессу более интенсивному по сравнению с воздушными способами размораживания. Следует отметить, что размораживание в жидкости может быть при погружении в непроточную и проточную воду, барботаже воды воздухом или паром, орошением водой, в растворах хлористого натрия и при комбинированных способах размораживания.
Определение теплофизических характеристик гидробионтов
Для решения дифференциального уравнения переноса тепла и научного анализа процесса размораживания необходимы изучение и расчет теплофизических характеристик (ТФХ). Способность тела в той или иной степени проводить, аккумулировать тепло или скорость прогрева оценивается основными тепло физическими характеристиками, среди которых основными являются удельная теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. [6, 41, 64, 74]
Для оценки влияния отдельных теплофизических свойств на характер и продолжительность размораживания были экспериментально определены зависимости коэффициента температуропроводности а, теплопроводности X и теплоемкости с от температуры размораживания.
Влияние химического состава тканей рыб на их теплофизические свойства определялись косвенно по относительному содержанию влаги в продукте. Это объясняется тем что рыбные продукты на 70-90 % состоят из воды, а теплофизические свойства так называемого сухого остатка, несмотря на различный химический состав, мало различаются между собой и практически не влияют на теплофизические характеристики из-за доминирующего влияния свойств воды. [74]
Методы определения теплофизических характеристик можно разделить на две основные группы: 1. методы основанные на стационарном тепловом потоке; 2. методы основанные на нестационарном тепловом потоке. При выборе метода исследования теплофизических коэффициентов необходимо учитывать следующие обстоятельства. К веществам, представляющим собой твердые тела в виде непрерывной среды с достаточной строгостью может быть применен закон Фурье, математически описывающий передачу тепла в теле. Однако, очень многие материалы, в частности - рыба, не является твердым телом в том смысле, который придают этому слову в физике и теории теплообмена, а представляет собой систему из большого числа твердых частиц, отделенных друг от друга порами или ячейками различной формы и размеров, заполненных газом или жидкостью или их смесью. Тепловая энергия в иих передается теплопроводностью через твердый скелет, а также теплопроводностью и конвекцией через заполненные жидкостью ячейки.
Если только ячейки не чрезмерно велики, то количество тепловой энергии, передающейся любым из способов, можно приблизительно считать пропорциональным разности температур двух прилежащих термических поверхностей. Поэтому принимают, что математически суммарный процесс передачи тепла в таких материалах как рыба происходит согласно закону Фурье, но под X понимают, уже условный коэффициент, который численно характеризует способность мяса передавать тепловую энергию указанными способами (принимая во внимание и фазовый переход лед-вода). Точно так же условный смысл приобретает и коэффициент температуропроводности, и теплоемкость объекта.
Известные из литературы [6, 64] данные по теплофизическим характеристикам рыбы показывают, что они относительно постоянные, если она находиться в размороженном (или свежем) виде, и сильно изменяются с температурой, если рыба находится в замороженном состоянии. Теплофизические характеристики претерпевают заметные изменения главным образом из-за превращения льда в воду. Поэтому использование методов, основанных на стационарном потоке тепла нецелесообразно. Определение теплофизических параметров объектов проводилось методом регулярного режима. 2. 2. 1 .Определение коэффициента температуропроводности рыбы. Теория регулярного режима и, основанные на этой теории методы определения теплофизических характеристик материалов разработаны профессором Кондратьевым Г.М.[38, 39]. Из всех методов регулярного режима наиболее разработанным является метод акалориметра, с помощью которого возможно определение коэффициента температуропроводности материала а,м /с. Принципиальное отличие метода регулярного режима от стационарного, заключается в том, что он использует нестационарный тепловой процесс в исследуемом образце, когда последний прогревается или охлаждается. Математическая теория для процессов охлаждения и нагревания одна и та же. Если тело известных параметров и формы, нагретое до температуры t помещается в сосуд с температурой среды tc t, при чем tc=const, и коэффициент теплоотдачи от тела к среде велик \СС — со]5 то при этих условиях процесс охлаждения тела протекает в три стадии: 1. Инерционная стадия, в которой на температурное поле в теле оказывает влияние начальное распределение температур. Процесс происходит неупорядоченно.
Выбор перспективного способа размораживания рыбного сырья блочной заморозки
Основываясь на вышеприведенном литературном материале нельзя дать однозначного ответа относительно преимуществ того или иного способа размораживания. Вопрос до сих пор остается открытым.
При одинаковых условиях замораживания качественные характеристики рыбы будут зависеть от ее химического состава, свойств и способа размораживания. В этой связи прямое сопоставление экспериментальных данных по размораживанию различными способами правомерно осуществлять лишь с учетом использования продукта одного вида. Только при этом условии может быть обеспечена правильная интерпретация результатов. Эксперименты проводились по многоуровневому мЕюгофакторному плану и по однофакторному многоуровневому плану, при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на интенсивность размораживания, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов. Обработку экспериментальных данных проводили с использованием математического пакета MathCAD и процессора электронных таблиц Excel в среде Windows 95 [61, 62]. Выбор факторов и функции отклика. Составление матрицы планирования эксперимента и результаты опытов.
В качестве факторов - независимых переменных, которыми можно управлять (устанавливать на заданном уровне и поддерживать в течении опыта или менять в заданной программе) и воздействовать на объект исследования выбрано при оросительном размораживании.
Движение в направление градиента функции представлено на рис.3.1 Выводы: Методом двухфакториого эксперимента получено уравнение регрессии, адекватно описывающее скорость оросительного размораживания на примере блоков кильки, позволяющее оценить влияние температуры и расхода воды и направление наиболее быстрого увеличения скорости размораживания.
Учитывая недостатки размораживания кильки в воде с различными модификациями (барботаже воздухом, добавлении хлорида натрия и др.), была поставлена цель, разработать наиболее рациональный режим размораживания конвективным способом, позволяющим сохранить качество размороженного продукта, сократить длительность процесса.
Исследования проводились на оросительном дефростере, эксплуатируемом на консервном заводе АОА «Астраханский рыбокомбинат». Конвейер с кассетами во время эксперимента оставался неподвижным. Над каждой кассетой расположен трубчатый ороситель с двумя рядами отверстий диаметром 3 мм. Орошение осуществлялось водой, поступающей из смесителя.
Испытания проводились с брикетами: каспийской анчоусовидной кильки промышленной заготовки. Изучали влияния на продолжительность размораживания расхода и температуры воды, а также начальной температуры блока.
Методика определения продолжительности размораживания заключалось в следующем. В 1СН-15 кассет закладывали одинаковые по весу брикеты и начинали орошение. Через определенное время отдельные брикеты извлекались. Внешняя мягкая часть брикета отделялась. Оставшийся монолит взвешивали.
Эта серия опытов проведена при постоянной температуре воды 20 С, определенном ее расходе и заданном положении брикета в пространстве. Расход воды измерялся для каждого отверстия оросителя мензуркой. Общий расход - вычисляли по количеству струй воды, попадающих на брикет.
Как видно из рис.3.3, в области малых расходов воды (до 350 кг/час на один брикет) с увеличением интенсивности орошения продолжительности размораживания заметно сокращается. При Gw=350 кг/час на брикет, время размораживания перестает зависеть от расхода воды. Процесс становится автомодельным. Вторая серия опытов, выясняющих влияния температуры воды, была проведена в автомодельной области, в условиях промышленного орошения.
При исследовании размораживания блоков кильки орошением водой получены следующие результаты - продолжительность размораживания зависит от расхода и температуры воды, а так же начальной температуры блока. - средняя температура рыбы после размораживания составляет 10-11 С. - при осыпании слоя температура поверхности незначительно (на 5-7 С) отличается от температуры теплоносителя, что при градиентных способах размораживания характеризует невысокую интенсивность теплообмена,
Приближенный метод расчета процесса размораживания
В отличие от классического расчета инженерные методы являются приближенными. Они построены на общем тепловом балансе и используют некоторые эмпирические коэффициенты. Даже, если значение п известно, расчет по формулам (4.26) и (4.27) затрудняется в связи с необходимостью определения значений коэффициента теплоотдачи и г, которые изменяются в процессе размораживания. Многочисленные расчеты показали, что лучшее согласование с опытными данными достигаются при расчете г по криоскопической температуре, а а - для условий в начале размораживания.
Расчитаем продолжительность размораживания блока кильки, весом 10 кг, размером 780х240х70 мм, при размораживании го конденсирующим паром под вакуумом с температурой t -19.5 С. Начальная температура блока to=-18 С. Результаты расчета сопоставить с опытными данными.
Приведен численно-аналитический метод расчета эволюции полей температур с учетом динамики размораживания на основе аппроксимации кривых кинетики размораживания влаги и комплекса функциональных зависимостей свойств и характеристик продуктов (влажности, температуры, структурных характеристик (плотности)). Рассчитаны поля температур в блоках, промышленной заморозки, при дефростации различных видов сырья и способах размораживания.
Для полного изучения процесса, в целях соблюдения технологических требований необходимо знать величину и распределение температуры в слое в любой момент времени. Экспериментальное определение изменения температуры в слое вызывает значительные трудности из-за специфических особенностей тепломассопереноса.
Нахождение нестационарных полей температур связано с решением системы дифференциальных уравнений массо- и теплопереноса [44, 45]. Решение этой системы при переменных коэффициентах затруднительно без ряда серьезных допущений. Частные аналитические решения [44, 45] достаточно громоздки, что значительно усложняет их практическое использование. Целесообразным является реализация математических численных методов, с помощью которых можно с высокой точностью рассчитать поля температур, причем составленная программа расчета позволяет достаточно оперативно использовать её в инженерных расчетах дефростеров при различных режимах и конструктивных особенностях.
В оросительном режиме, вследствие уменьшения характерного размера при послойном отпадании структурно однородных частей блока, при достижении криоскопической температуры на определенной глубине блока, равной морфометрическому размеру рыбы, в частности, для кильки 1/6 толщины блока, производится расчет при новых начальных условиях по толщине и на границе слоя, соответствующих полю температур, взятому из расчетной матрицы температур t ІУХ к)., и присвоенному в последующем расчете температурному полю t = / \X,TQJ, В начальный момент времени после достижения криоскопической температуры на глубине, равной 1/6 толщины блока. При этом в новом расчете автоматически уменьшается величина матрицы и характерный размер блока на 1/3 его толщины. Число последовательных расчетов ограничивается минимальной толщиной блока равной морфометрическому размеру рыбы.
При осциллирующем энер го подводе (периодическое отключение внешнего подвода энергии и проведение дефростации (размораживания + прогрев) за счет аккумулированной блоком тепловой энергии) при асимптотическом приближении температуры поверхности к температуре внешнего теплоносителя и снижении темпа роста температуры на поверхности, оцениваемого по тангенсу угла наклона зависимости T=f(x) на каждом шаге \ г«+/- к по времени tgy/=(TK+iK)/An приравниваем в граничных условиях коэффициент теплоотдачи а нулю (при tgy/ 0,2-экспериментальные данные, а = 0). После чего температура на поверхности будет снижаться, а в центре слоя повышаться вначале резко и далее плавно (вследствие снижения температурного градиента внутри слоя), стремясь к выравниванию по слою. После уменьшения темпа снижения температуры поверхности ниже определенного предела (при tgy/ l ,39х]0 3-экспериметалыте данные) подключается внешний энергоподвод и в граничных условиях коэффициенту теплоотдачи а присваивается определенное значение, соответствующее реальным условиям конвективного теплообмена на границе раздела фаз (блок-теплоноситель).
