Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Методы охлаждения тушек птицы после забоя 6
1.2. Методы расчёта продолжительности охлаждения тушек птицы после забоя 16
1.3. Методы расчета коэффициента теплоотдачи 20
1.4. Выводы по литературному обзору 29
Глава 2. Теплофизические методы,определения параметров процесса охлаждения тушек птицы 31
2.1. Введение 31
2.2. Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы при постоянном коэффициенте теплоотдачи (без напыления влаги) 33
2.3. Вычисление продолжительности охлаждения тел простой формы с учетом испарения напыленной влаги 59
2.4. Вычисление продолжительности охлаждения ту шек курицы с учетом испарения напыленной влаги 72
2.5. Определение растворимого белка в сточных водах при водяном и гидроаэрозольно-испарительном методах охлаждения тушек птицы 86
Глава 3. Методика инженерного расчета аппарата 88
3.1. Расчёт форсунок для распыления воды и орошения тушек 88
3.2. Основные принципы расчёта процесса гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек 99
3.3. Описание системы холодообеспечения аппарата для гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы 102
Список использованной литературы 122
Приложения 128
- Методы расчёта продолжительности охлаждения тушек птицы после забоя
- Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы при постоянном коэффициенте теплоотдачи (без напыления влаги)
- Вычисление продолжительности охлаждения ту шек курицы с учетом испарения напыленной влаги
- Основные принципы расчёта процесса гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек
Введение к работе
Потребности страны в качественных мясных продуктах питания требуют дальнейшего развития передовых технологий в отечественной мясоперерабатывающей промышленности. Одной из наиболее массовых отраслей этой промышленности является производство куриного мяса. Немаловажной составляющей этой производственной цепи является охлаждение тушек птицы, которое должно осуществляться после забоя. На большинстве предприятий птицеперерабатывающей промышленности до недавнего времени охлаждение тушек производилось водяным погружным методом, который позволяет достичь наибольшей производительности линий по убою птицы. Однако данный метод уже давно не отвечает мировым стандартам по части качества готовой продукции. Например, в странах Европейского Общего Рынка этот способ уже более 20 лет как запрещён к употреблению, поскольку он может приводить к перекрёстному обсеменению тушек патогенной микрофлорой. В последнее время у нас в стране этот факт тоже начинает осознаваться, в связи с чем отечественные предприятия начинают переходить на воздушный способ охлаждения. Однако для мировой практики воздушный способ также не считается оптимальным и на смену ему приходит новый, гидроаэрозольно-испарительный способ, который позволяет совместить преимущества водяного и воздушного методов охлаждения. Поэтому нам представляется целесообразным переходить от водяного способа охлаждения непосредственно к гидроаэрозольно-испарительно-му, как наиболее прогрессивному на данный момент.
Однако, для полной реализации преимуществ гидроаэрозольно-ис-парительного способа охлаждения тушек птицы, необходима разработка рациональной технологии охлаждения и соответствующее аппара-
тное оформление, которые должны опираться на надёжную теорию данного метода охлаждения. Поэтому создание теоретического обоснования технологии гидроаэрозольно-испарительного метода и, на его основе, методов инженерного расчета соответствующих систем охлаждения представляется в настоящее время достаточно актуальной проблемой.
Предлагаемая работа посвящена именно этим вопросам. На основе предложенной физико-математической модели охлаждения тушек птицы с учётом напыленной на них влаги, а также разработанных основных принципов определения параметров процесса охлаждения, позволяющих в наибольшей степени реализовать преимущества гидроаэрозольно-испарительного метода, предложены и экспериментально подтверждены алгоритмы расчета параметров процесса охлаждения и соответствующего аппаратного оформления.
Методы расчёта продолжительности охлаждения тушек птицы после забоя
Задача определения продолжительности охлаждения однородных тел простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, шар), как известно [20], может быть явно решена в случае неизменных внешних условий, т.е. температуры окружающей среды и коэффициента теплоотдачи. Решение представляется в виде бесконечного ряда: где ТНач - начальная температура тела (К); Тср - температура окружающей среды (К); а - температуропроводность тела (м2/с); R - характерный размер тела, т.е. для пластины - половина толщины, для цилиндра и шара - радиус (м); т - время (с); Т - температура в какой-либо точке тела (или его среднеобъемная температура) (К); jnn -корни характеристического уравнения, имеющего вид Bi -cosp. = - /г sin/i - пластина; д-J0 (i) + BiJ0(M) = 0 - цилиндр; дсоэд + + (В1-1) sin/A = 0 - шар. Здесь Bi = aR/X - число Био; a - коэффициент теплоотдачи (Вт/м2-К), X - коэффициент теплопроводности тела, (Вт/м-К), Jo(Д) - Функция Бесселя нулевого порядка, Ап - некоторые коэффициенты, зависящие как от Bi, так и от точки тела.
Тушка курицы представляет собой неоднородное тело достаточно сложной формы, которое не может быть с достаточной точностью ап-роксимировано какой-либо из простых форм. Поэтому для расчета времени охлаждения тушки нельзя пользоваться рядом (1.1), как это сделано в [24], а затем повторено в [13]. где использовано соотно шение (1.1) для бесконечной пластины при а = оо, а для учета отличия формы курицы от бесконечной пластины предложено в качестве характерного размера брать 5/6 от толщины грудной мышцы. Никаких обоснований этого ни в [24], ни в [13] не приведено.
Однако, поскольку время охлаждения достаточно велико, то в выражении (1.1) реальный вклад вносит только первый член ряда. Таким образом, для тела любой формы при достаточно больших временах температура может быть приближенно описана следующим выражением: где величина т, называемая темпом охлаждения, не зависит от того, в какой точке тела измеряется температура Т, а коэффициент А от нее зависит. Это называется приближением регулярного теплового режима. Теория регулярного теплового режима была создана Г.М. Кондратьевым [16,173. Позднее, более математически строго, она была построена П.В.Черпаковым [56].
Для расчета по формуле (1.1) необходимо определить темп охлаждения m и значение констант А для среднеобъемной температуры Аоб и, при необходимости учитывать испарение воды, для температуры поверхности Апов. Для этого запишем уравнение теплового баланса где С - удельная теплоемкость тела (Дж/кг-К), р - его плотность (кг/м3); V - объем (м3); S - площадь поверхности (м2). Подставляя (1.2) в (1.3), получим где Ф= V/SR - коэффициент формы тела; R - его характерный размер, то есть расстояние от поверхности до наиболее удаленной до нее точки; зе - некоторый параметр, который для тел простой формы равен /І!2, и зависит от числа ВІ. Для тел простой формы коэффициент Ф равен: Ф=1 для пластины, Ф=1/2 для цилиндра и Ф=1/3 для шара. При ВіЧ) левая часть (1.3) очевидно стремится к 1, следовательно, зе В1/Ф. Таким образом, для расчета времени охлаждения необходимо умение рассчитывать эе и А0б- В работе [17] была предложена следующая апроксимирующая формула (формула Ященко): где зе(оо) - значение коэффициента зе при Ві ». Для тел простой формы эта формула справедлива с погрешностью 3 %. Недостатком этой формулы является необходимость знать значение а(»), которое приходится определять экспериментально. Причины этого заключаются в том, что авторы формулы (1.5) не вводили отдельно понятия R и Ф, а оперировали с параметром К = R2/3e(oo), S и V. Тогда формулы (1.4) и (1.5) можно переписать следующим образом:
Коэффициент К в [16] и [17] предлагается искать либо через уподобление телу простой формы (для них значение эе(оо) известно: ae(oo) = зг2/4 - для пластины; a(») = 5.783... для цилиндра и зе(оо) = = ж2 для шара), либо посредством анализа экспериментальных данных. Например, для мясных полутуш К было определено И.Г. Алямовским [1, 3]. Впрочем, точное значение коэффициента К известно и для некоторых тел составной формы [16,17]. А именно, для бесконечного прямоугольного бруса со сторонами 2Rt и 2R2
Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы при постоянном коэффициенте теплоотдачи (без напыления влаги)
Как было показано в главе 1, попытки применения уравнений теории регулярного теплового режима (1.2) и (1.4) к охлаждению тушек птицы наталкиваются на серьёзное затруднение: они содержат параметр К = R2/«(oo), который может быть определен (для тела сложной формы) только экспериментально. Из формул (1.2) и (1.4) видно, что для разрешения этого затруднения, необходимо иметь теоретическую формулу для ае(Ві) для тел произвольной формы. При этом необходимо опираться на тот факт, что нам известна эта зависимость для тел простой формы (как корень соответствующих трансцендентных уравнений). Напрашивающийся путь решения этой задачи следующий: опираясь на известные численные значения этой функции для тел простой формы, подобрать апроксимирующую формулу для ае(Ві.Ф), чтобы при Ф = 1 она давала соответствующую зависимость для пластины, при Ф = 1/2 - для цилиндра, и при Ф = 1/3 - для шара. При этом следует подобрать структуру этой формулы таким образом, чтобы максимальная для всех трёх случаев и всех значений В1 погрешность была бы минимальной.
Предлагается следующая апроксимирующая формула: Сравнение результатов вычислений по формуле (2.1) с известными данными для пластины (при Ф = 1), бесконечного цилиндра (Ф = - 1/2) и шара (Ф = 1/3) показывает (см. табл. 2.1, 2.2 и 2.3), что формула (2.1) справедлива для тел простой формы с погрешностью, не превышающей 1,5 %.
Таким образом, формула (2.1) позволяет рассчитывать коэффициент зе(Ві) чисто теоретически, без всяких эмпирических коэффициентов. Необходимо только знание коэффициента формы тела Ф, для определения которого нужно знать лишь элементарные геометрические параметры нашего объекта: объём V, площадь поверхности S и характерный размер R, что легко может быть определено посредством простейших измерений.
Однако, кроме коэффициента зе(В1) необходимо (см. формулу (1.2)) также знание коэффициента А, который, как уже упоминалось в главе 1, зависит от точки тела, в которой измеряется температура. Нас будет интересовать прежде всего среднеобъёмная температура Тоб, так как, согласно требованиям ГОСТа, именно она в конце про-) цесса охлаждения должна не превышать 4 С. Однако, имея в виду в будущем решение вопросов, связанных с гидроаэрозольно-испаритель-ным охлаждением, желательно также умение рассчитывать коэффициент Апов для поверхности тела. Впрочем, соотношение (1.4) показывает, что, при условии того, что известно значение зе, достаточно знать один из этих коэффициентов, а второй можно определить из (1.4).
Если посмотреть на таблицу значений коэффициента А0б для тел простой формы (табл. 2.4) то видно, что при ВІ і 2 значения этого коэффициента для всех трёх тел простой формы лежат в пределах 0,95 Аоб 1. Поскольку при охлаждении в воздухе число Bi, как правило, меньше 2, то можно брать Аоб = 1, а Апов вычислять по формуле (1.4).
Вычисление продолжительности охлаждения ту шек курицы с учетом испарения напыленной влаги
Итак, в предыдущих пунктах 2.2 и 2.3 мы рассмотрели вопросы, связанные с охлаждением тел сложной формы с постоянным коэффициентом теплоотдачи (пункт 2.2) и тел простой формы с переменным ("мокрым") коэффициентом теплоотдачи. Теперь необходимо объединить результаты этих пунктов и получить алгоритм расчёта тел сложной формы (то есть тушки курицы) с переменным "мокрым" коэффициентом теплоотдачи [22].
Поскольку уже при расчёте охлаждения тел простой формы в пункте 2.3 нам пришлось воспользоваться методом численного интегрирования, то и здесь придётся делать то же самое. Однако, для тела сложной формы в нашем распоряжении уже нет точных решений для постоянного коэффициента теплоотдачи, наподобие соотношений (2.7) и (2.8). Поэтому придётся воспользоваться приближенными соотношениями теории регулярного теплового режима. Возьмем соотношение (1.2) для среднеобъёмной температуры и запишем его в дифференциальной форме:
Здесь мы положили, согласно пункту 2.2, А0б = 1. Соотношение (2.10) позволит нам рассчитать изменение среднеобъёмной температуры за время dt, при условии того, что нам известно значение темпа охлаждения т. Темп же охлаждения можно рассчитать по предложенному нами соотношению (2.1), вкупе с (1.4), при условии того, что нам известно значение критерия Био Ві, то есть, в конечном счёте, "мокрого" коэффициента теплоотдачи. Теперь нам необходимо обратиться к результатам пункта 2.3. "Мокрый" коэффициент теплоотдачи может быть определён по соотношению (2.6) вкупе с формулой Фило-ненко (1.15) в том случае, если нам известно значение температуры поверхности. Температура же поверхности связана с изменением сред-необъёмной температуры соотношением теплового балланса (1.3), что замыкает нашу систему уравнений. Суммируя все вышесказанное, мы предлагаем следующий алгоритм расчета продолжительности гидроаэрозольно-испарительного охлаждения: 1. Выбираем шаг по времени Ат, коэффициент теплоотдачи рассчитывается по (2.6) и (1.15), принимая Тпов = Тнач 2. По формулам (2.1), (1.4) рассчитывается темп охлаждения т. 3. Посредством соотношения (2.10) рассчитывается новое значение Т0 б 4. Из уравнения теплового баланса (1.3) рассчитывается новое значение Тпов 5. По формуле (2.9) определяется масса испарившейся влаги AM. 6. По новому значению ТПОв рассчитывается новое значение коэффициента теплоотдачи. 7. И т.д. Пункты 1-7 необходимо повторять до тех пор, пока среднеобъ-емная температура не достигнет искомых 4 С. Программа для расчёта продолжительности процесса и массы испарившейся воды приведена в приложении. Для проверки вышеизложенной теории была проведена серия экспериментов по гидроаэрозольно-испарительному охлаждению тушек курицы. Для эксперимента использовались те же тушки, что были описа J ны в пункте 2.2, и на которых же проводились эксперименты по "сухому" охлаждению. Параметры эксперимента (температура и скорость воздуха, начальная температура тушки) поддерживались точно такими же, как и при "сухом" охлаждении. Это позволило непосредственно сравнить "сухой" и "мокрый" способы. В процессе эксперимента влага напылялась на тушки посредством двух пневматических форсунок, одна напротив другой, которые создавали закрученный вихрь вокруг тушки, благодаря которому поверхность тушки смачивалась водой за 1 - 2 с. Влага напылялась на тушку в соответствии с необходимостью постоянного нахождения на поверхности свободной влаги. Температура измерялась термопарой в середине грудной мышцы (см. пункт 2.2). Результаты экспериментов и теоретических расчетов отражены в табл. 2.22 - 2.25 и на графиках 2.9 - 2.12, на которых также отображены экспериментальные и теоретические результаты по "сухому" охлаждению тушек. Видно, что время охлаждения тушки без напыления влаги примерно в 1,5 раза больше, чем при напылении. Расчетное время совпадает с экспериментальным в пределах 10 % погрешности.
Основные принципы расчёта процесса гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек
Как было отмечено в пункте 1.1, для полной реализации преимуществ гидроаэрозольно-испарительного метода охлаждения необходим правильный выбор параметров процесса. Во-первых, чтобы исключить как чрезмерное увлажнение тушки, так и её усушку, необходимо, чтобы масса напыленной на тушки влаги приблизительно равнялась массе испарившейся с поверхности влаги. Во-вторых, для увеличения темпа охлаждения за счёт испарения необходимо, чтобы на поверхности продукта постоянно имелась свободная влага. В третьих, с целью экономии питьевой воды и предотвращения вымывания полезных веществ из тушек желательно, чтобы по возможности вся распылённая влага оставалась на поверхности тушек, а не стекала с них. Кроме всего вышеперечисленного, необходимо принимать во внимание возможность зарастания инеем испарителя воздухоохладителя, так как при интенсив ном испарении влаги с поверхности продукта воздух насыщается ею. Это может привести к необходимости частых оттаек воздухоохладителя, что резко снижает производительность линии охлаждения. С другой стороны, повышение температуры охлаждающего воздуха до О С, хотя и позволяет снять проблему ледяной шубы на испарителе воздухоохладителя, приводит к резкому увеличеню продолжительности охлаждения, так как, согласно требованиям ГОСТ, среднеобъёмная температура тушек по окончании охлаждения не должна превышать 4 С. Однако чрезмерное понижение температуры охлаждающего воздуха также опасно, так как может привести к подмораживанию поверхности продукта и, следовательно, к ухудшению его качества.
Выбор параметров процесса охлаждения можно считать оптимальным только в том случае, когда он учитывает все вышеперечисленные обстоятельства. Мы предлагаем следующие рекомендации [23]. 1. Орошение водой происходит в течение 5 - 7 с, при этом масса напыленной влаги составляет 5 - 10 г на тушку (в зависимости от ее размеров). Более длительное орошение нецелесообразно, так как влага начинает стекать с поверхности продукта. 2. Обдув тушки холодным воздухом производится до полного испарения напыленной влаги. Поскольку с каждым последующим этапом ) "напыление - обдув" температура поверхности тушек уменьшается и влага испаряется медленнее, то продолжительность обдува увеличивается от этапа к этапу. Метод расчета продолжительности обдува на каждом этапе был изложен в главе 2. 3. На каждом этапе, кроме последнего, температура воздуха О С; на последнем же этапе -4...-7 С. Использование на первых этапах, когда идет интенсивное испарение влаги с поверхности ту шек, температуры охлаждающего воздуха О С позволяет избежать ине еобразования на испарителе воздухоохладителя, в то время как ещё достаточно высокая температура продукта обеспечивает высокий темп охлаждения. Использование же температуры воздуха -4...-7 С на последнем этапе позволяет достигнуть и здесь высокого темпа охлаждения, в то время как низкая температура поверхности тушек на этом этапе приводит к незначительному испарению влаги, и, следовательно, к низкому инееобразованию на поверхности испарителя воздухоохладителя. Кроме того, при такой температуре воздуха не происходит подмораживания влаги на поверхности продукта, что подтверждается как расчетами, так и экспериментом. 4. Для охлаждения тушек до требуемой среднеобъёмной температуры 4 С требуется 3-4 этапа "напыление - обдув" общей продолжительностью 35 - 70 мин в зависимости от размеров тушки. При чисто воздушном охлаждении при тех же параметрах процесса необходимое время охлаждения оказывается примерно в полтора раза больше. Приведем несколько примеров. Пусть на охлаждение подаются тушки курицы с начальной температурой 31 С. Они обдуваются воздухом со скоростью 3 м/с и температурой О С, на последнем этапе --6 С. Для тушек массой 1 кг масса напылённой за 1 этап влаги 6 г; необходимы 3 этапа "напыление - обдув" продолжительностью 8, 11 и ) 20 мин соответственно. Общая продолжительность процесса 40 мин. Для тушек массой 1,4 кг масса напылённой влаги 8 г, необходимы 4 этапа продолжительностью 10, 14, 22 и 14 мин; общая продолжительность процесса 60 мин. В приложении приведена программа для расчёта количества и продолжительности этапов охлаждения.
