Научные и практические основы охлаждения мяса птицы и рыбы диоксидом углерода Неверов Евгений Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературы 13

1.1. Основные направления в развитии производства и потребления охлажденного мяса птицы 13

1.2. Основные направления в развитии производства и потребления рыбы и рыбной продукции 24

1.3. Строение и состав мяса птицы, его особенности 33

1.4. Строение и состав мяса рыбы, его особенности 36

1.5. Основные направления развития техники и технологии холодильной обработки мяса птицы и рыбы

1.5.1. Тенденции в отечественной и зарубежной практике холодильной обработки птицы 50

1.5.2. Тенденции в отечественной и зарубежной практике охлаждения рыбы

1.6. Особенности диоксида углерода как хладагента 61

1.7. Получение снегообразного диоксида углерода 67

1.8. Выводы по главе 73

ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса холодильной обработки диоксидом углерода 76

2.1.1. Анализ существующих моделей для определения продолжительности холодильной обработки мяса птицы 76

2.1.2. Допущения, принятые при решении задачи 81

2.1.3. Постановка и решение задачи

2.2.1. Анализ существующих аналитических решений при холодильной обработке рыбы 87

2.2.2. Допущения, принятые при решении задачи 94

2.2.3. Постановка и решение задачи -

3 2.3. Определение количества снегообразного диоксида углерода, необходимого для поддержания нормируемой температуры в тушке птицы 104

2.4. Определение количества снегообразного диоксида углерода для охлаждения рыбы до определенной температуры 107

2.6. Выводы по главе 110

ГЛАВА 3. Технические средства и методика экспериментальных исследовании 114

3.1. Организация выполнения работы 114

3.2. Классификация пищевых продуктов подвергаемых холодильной обработке с введением снегообразного СО2 во внутреннюю полость118

3.3. Экспериментальный стенд для исследования процесса получения снегообразного диоксида углерода 119

3.4. Генератор - дозатор для получения и подачи снегообразного С2 непосредственно в продукт 120

3.5. Стенд для проведения исследований процесса охлаждения птицы и рыбы 122

3.6. Модель аппарата для холодильной обработки тушки птицы в среде диоксида углерода 124

3.7. Модель технологической линии по холодильной обработке рыбы диоксидом углерода 126

3.8. Модель аппарата для холодильной обработки продуктов с рециркуляцией диоксида углерода 129

3.9. Упаковка для хранения продуктов в среде диоксида углерода 134

3.10. Приборное оснащение стендов 136

3.11. Методика проведения экспериментальных исследований 138

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование процесса теплообмена при холодильной обработке птицы диоксидом углерода 140

4 4.1. Экспериментальное исследование процесса получения снегообразного диоксида углерода 140

4.2. Характеристики птицы, подвергаемой холодильной обработке диоксидом углерода 144

4.3. Исследование процесса теплообмена при охлаждении цыпленка-бройлера с различными вариантами нанесения диоксида углерода ... 146

4.4. Применение упаковки при охлаждении мяса цыпленка - бройлера диоксидом углерода 167

4.5. Влияние диоксида углерода на качество охлаждаемого мяса птицы .176

ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование процесса теплообмена при холодильной обработки рыбы диоксидом углерода 182

5.1. Характеристики рыбы подвергаемой холодильной обработки диоксидом углерода 182

5.2. Исследование процесса теплообмена при охлаждении потрошеной рыбы диоксидом углерода 185

5.3. Исследование процесса теплообмена при охлаждении неразделанной рыбы газообразным диоксидом углерода 225

5.4. Исследование процесса теплообмена при охлаждении нераз деланной рыбы снегообразным СО2 240

5.5. Изучение процесса теплообмена при охлаждении упакованной рыбы в среде С2 249

5.6. Влияние диоксида углерода на качество рыбы, подвергаемой охлаждению 257

ГЛАВА 7. Практическое использование результатов исследовании 270

Результаты исследований и выводы 289

Список использованной литературы 292

Приложения 3

• Основные направления в развитии производства и потребления рыбы и рыбной продукции
• Допущения, принятые при решении задачи
• Модель аппарата для холодильной обработки продуктов с рециркуляцией диоксида углерода
• Исследование процесса теплообмена при охлаждении цыпленка-бройлера с различными вариантами нанесения диоксида углерода

Введение к работе

Актуальность работы. В последние годы увеличился спрос на охлажденную птицу и рыбу, т.к. они обладают рядом достоинств перед замороженными (имеют более высокие вкусовые качества, сохраняют большее количество микро- и макроэлементов). В тоже время существует большой недостаток – это продолжительность хранения, которая у охлажденного мяса птицы и рыбы значительно меньше чем у замороженного.

В промышленности большое распространение имеют методы охлаждения мяса птицы и рыбы, в которых в качестве охлаждающих сред используются воздух, холодная вода, растворы солей или водный лед. Перечисленные методы охлаждения имеют ряд недостатков, таких как: изменение внешнего вида товара, длительный период времени охлаждения, поглощение большого количества влаги тушками птицы, создание перекрестного заражения птицы микроорганизмами, просаливание. Все эти факторы ведут к потере качества продукта, к сокращению сроков хранения рыбы и птицы и, как следствие, к снижению спроса у покупателей на данный товар.

Большое внимание в холодильной технике и технологии, как в нашей стране, так и за рубежом уделено направлению по совершенствованию методов охлаждения птицы и рыбы, а также поискам способов их хранения, исключающих недостатки традиционных способов охлаждения. При этом акцент делается на нахождение современных безопасных рабочих тел, которые будут применены в холодильной промышленности. К одним из таких рабочих тел относиться диоксид углерода, который в последние годы находит большое применение в закрытых холодильных системах и контактных аппаратах.

Благодаря Монреальскому и Киотскому протоколам по вопросу защиты окружающей среды остановлено производство хладагентов R12, R502 и др., а с 2020 г. и хладона R22, широко применяемых в установках для холодильной обработки птицы и рыбы, которые в последние годы все чаще заменяются на диоксид углерода.

На предприятиях спиртоперерабатывающей промышленности производится большое количество СО₂, который затем выбрасывается в атмосферу. В предложенной нами технологии будет использован данный диоксид углерода для контактной обработки продуктов методом, основанным на использовании процесса сублимации – перехода диоксида углерода из твердой в газообразную фазу с температурой минус 78 С. Принцип этого способа охлаждения в том, что снегообразный диоксид углерода наносится на поверхность продуктов, а полученный газ диоксида углерода будет рекуперироваться и повторно использоваться для охлаждения продуктов.

При этом для расширения области применения диоксида углерода в промышленности необходимо уделять внимание задачам снижения затрат на получение СО₂ в снегообразной фазе и его эффективному использованию при холодильной обработке продуктов контактным способом. Данная научная работа направлена на решение этих задач и позволяет производить импортозамещение в холодильном оборудовании птице - и рыбоперерабатывающей отрасли.

Степень разработанности темы. Существенный вклад внесли российские и зарубежные ученые в разработку методики процесса получения диоксида углерода и его использования, такие как: Венгер К.П., Герасименко В.В., Пименова Т.Ф., Тезиков А.Д., Федотов Е.Л. и другие.

До настоящего времени СО₂ как рабочее тело для холодильной обработки птицы и рыбы не получил большого распространения, т.к. относительно высоки экономические затраты на производство диоксида углерода в снегообразном состоянии. Однако, благодаря своим достоинствам в последние годы, диоксид углерода получает распространение как холодильный агент в закрытых системах, так и непосредственно для подачи на поверхность птицы и рыбы (в твердой или газообразной фазе) при их охлаждении.

Целью исследования является разработка научно обоснованной методики использования твердого СО₂ для получения охлажденного мяса птицы и рыбы, а также аппаратного оформления данной методики для промышленного применения.

Задачи исследования. Для реализации поставленной цели нужно решить ряд следующих задач:

провести анализ существующей информации о методах и технических средствах осуществления охлаждения птицы и рыбы диоксидом углерода для обоснования актуальности и направленности исследований;

дать оценку разработанным аналитическим решениям для определения времени охлаждения птицы и рыбы, на основе анализа этих моделей разработать математические модели для расчета времени охлаждения продуктов при двухстороннем отводе теплоты снегообразным СО₂;

- разработать методику экспериментальных исследований и создать для ее
реализации комплекс лабораторных стендов и установок;

провести экспериментальные исследования на разработанном генераторе – дозаторе снегообразного СО₂ для определения его оптимальных геометрических параметров, позволяющих снижать расход СО₂;

провести исследования процесса теплообмена при охлаждении птицы и рыбы;

разработать технологию охлаждения птицы и рыбы с использованием СО₂;

- провести экспериментальные исследования по определению показателей
качества птицы и рыбы, охлажденных в среде диоксида углерода;

разработать конструктивный и компоновочный принципы организации охлаждения птицы и рыбы диоксидом углерода, создать опытно-промышленные образцы аппаратов, позволяющие производить замещение импортного оборудования;

провести производственную апробацию результатов.

Научная концепция диссертационной работы.

Принимая за основу мировую тенденцию, направленную на поиск новых безопасных охлаждающих сред в холодильных производствах, провести комплексные исследования возможности использования высоких термодинамических и технологических свойств снегообразного СО₂ при охлаждении объектов, имеющих высокий уровень соотношения внешней и внутренней поверхностей тепло-

обмена (на примере тушек птицы и рыбы) с целью сохранения качества исходного продукта, увеличения сроков его хранения, а также обеспечения конкурентоспособности данного хладагента.

Научная новизна работы.

1. Разработаны математические модели для расчета времени охлаждения птицы и рыбы снегообразной углекислотой при двухстороннем несимметричном отводе теплоты. Разработана зависимость для нахождения массы снегообразного СО₂ для холодильной обработки птицы и рыбы.

2. Обоснована методика, обеспечивающая снижение затрат при получении снегообразного СО₂ при дросселировании жидкой углекислоты.

3. Установлены закономерности изменения параметров процесса охлаждения птицы и рыбы с использованием снегообразного диоксида углерода.

4. Разработан ряд мероприятий для повышения эффективности охлаждения птицы и рыбы с использованием снегообразного диоксида углерода.

5. Разработан принцип и технологический регламент организации охлаж
дения битой птицы и рыбы с использованием снегообразной СО₂.

6. Получены новые данные по степени хранимоспособности птицы и рыбы,
охлажденной СО₂.

Практическая значимость работы.

Разработан аппарат для охлаждения продуктов диоксидом углерода с генератором – дозатором для получения и подачи снегообразного СО₂ во внутреннюю полость тушек птицы и рыбы.

Разработано компоновочное решение и технологическая линия для холодильной обработки рыбы СО₂.

Разработана технология охлаждения птицы и рыбы с использованием диоксида углерода.

Разработаны технические условия и технологические инструкции для охлаждения птицы и рыбы: мясо кур (тушки кур, цыплят, цыплят-бройлеров и их части), охлажденное диоксидом углерода (ТУ 9210-193-020683315-2014); рыба, охлажденная диоксидом углерода (ТУ 9210-195-020683315-2014); мясо кур (тушки кур, цыплят, цыплят-бройлеров и их части), охлажденное диоксидом углерода (ТИ 9210-193-020683315-2014); рыба, охлажденная диоксидом углерода (ТИ 9210-195-020683315-2014).

Утверждены акты приемки и испытаний опытно – промышленных образцов аппаратов: генератора-дозатора снегообразного диоксида углерода на предприятии ООО «СибКОн», аппарата для холодильной обработки птицы диоксидом углерода на предприятии ФГКУ комбинате «Малахит» Росрезерва и линии для холодильной обработки рыбы СО₂ на предприятии ООО «АЙС-Групп».

Составлен ряд программ, результаты расчета которых представлены в номограммах для определения диаметров дроссельных отверстий генератора – дозатора и массы снегообразного диоксида углерода, необходимого для обеспечения нормируемой температуры в тушке птицы и рыбы.

Методология и методы исследования.

На первом этапе экспериментов объектом исследования служил разработанный генератор – дозатор снегообразного СО₂, в котором производили дрос-

селирование жидкой углекислоты через отверстия разной конфигурации и диаметра.

Следующая группа экспериментов проводилась с тушками цыплят-бройлеров 1 и 2 категории упитанности, массой 0,7 2,5 кг и промысловой рыбой: карп, амур, форель, сом, толстолобик массой 0,6 4,0 кг.

Охлаждение тушек птицы и рыбы производили способом непосредственного
контакта диоксида углерода, подаваемого на поверхность тушек, но несмотря на
то, что температура снегообразного СО₂ составляет минус 78 С, подмораживание
мяса птицы и рыбы не происходит, благодаря образованию газовой прослойки,
между мясом и снегообразным диоксидом углерода при его сублимации.

Частичное подмораживание происходит только костного скелета птицы и рыбы во внутренней полости, кожи и чешуи, расположенной на наружной поверхности.

Полимерные контейнеры с охлаждаемыми тушками птицы и рыбы после нанесения СО₂ располагали на стеллажах в теплоизолированной камере, в которой устанавливалась постоянная температура.

В качестве основного экспериментального материала использовали термограммы процессов и кривые плотности теплового потока.

Применяя термограммы процесса, находили понижение температуры в тушке птицы и рыбы, а также длительность сублимации снегообразного диоксида углерода.

Коэффициент теплоотдачи определяли, применяя экспериментально полученные величины плотности теплового потока по уравнению Ньютона – Рих-мана.

После того, как были построены кривые изменения плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи режимов во времени, находили их среднеинте-гральные величины.

Методика проведения экспериментов позволяет производить оценку качества птицы и рыбы перед охлаждением, после него и в процессе хранения.

Определение показателей качества охлаждаемого мяса цыплят-бройлеров снегообразным СО₂ было проведено в условиях исследовательской лаборатории ООО «СибКОН» в г. Новосибирске. Исследования показателей качества охлаждаемой рыбы проведены в условиях исследовательской лаборатории кафедры технологии бродильных производств и консервирования КемТИПП.

Качество тушек цыплят-бройлеров определяли по ряду показателей: во-досвязывающая способность (ВСС), активная кислотность, кислотное и пе-рекисное числа, а также по органолептическим и микробиологическим показателям с использованием общепринятых методик, а качество рыбы определяли по комплексу показателей: кислотное и перекисное числа и по органо-лептическим показателям.

Дегустацию охлажденного диоксидом углерода мяса цыплят-бройлеров и рыбы проводили на расширенном заседании специалистов кафедр «Теплохладо-техника», «Технология бродильных производств и консервирования» КемТИПП и ООО «СибКОН» г. Новосибирск.

Положения, выносимые на защиту.

математические модели для расчета времени охлаждения птицы и рыбы снегообразной углекислотой при двухстороннем несимметричном отводе теплоты;

результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при охлаждении птицы и рыбы СО₂;

- разработанный принцип и технологический регламент организации ох
лаждения птицы и рыбы с применением СО₂;

разработанный комплекс мероприятий по повышению эффективности охлаждения птицы и рыбы с применением снегообразного диоксида углерода;

полученные данные по степени хранимоспособности птицы и рыбы, охлажденной диоксидом углерода;

- практическую значимость номограмм для подбора диаметров дроссельных
отверстий генератора – дозатора и массы снегообразного диоксида углерода, не
обходимого для обеспечения нормируемой температуры в тушке птицы и рыбы, а
также аппаратов для холодильной обработки диоксидом углерода птицы и рыбы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно - технических

конференциях: «Пищевые технологии» (Казань, 2005), «Пищевые продукты и здоровое питание» (Кемерово, 2005), «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов» (Кемерово, 2005,2006,2008,2009), «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2006,2009), «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2009 ), «Энергоэффективные технологии» (Минск, 2010 ), «Биотехнология растительного сырья, качество и безопасность продуктов питания» (Иркутск, 2010 ), «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010, 2012), «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2010, 2011), «Современные тенденции развития перерабатывающих комплексов, пищевого оборудования и технологии пищевых производств» (Владивосток, 2011), «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2011, 2012), «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2013), «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2012, 2013), «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2013), «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2014 ), «Экологически безопасные и энергоэффективные решения в технике низких температур» (Санкт-Петербург, 2014 ).

Основные положения диссертации опубликованы в 60 печатных работах, в т.ч. 2-х - монографиях, 14 статьях в журналах, рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 5 патентами РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методологии проведения эксперимента, результатов исследования и их анализа, выводов, списка используемой литературы (376 источников) и приложений. Основное содержание изложено на 291 странице, включает 50 таблиц и 89 рисунков.

Основные направления в развитии производства и потребления рыбы и рыбной продукции

В последние годы в мире наметилась тенденция к увеличению объема производства мяса птицы, при этом больший акцент делается на выпуске охлажденного продукта, так как данное мясо лучше всего сохраняет свои биологические, питательные характеристики, а также вкусовые свойства. Также к достоинствам мяса птицы относят более низкую цену по сравнению с мясом говядины и свинины, скорость приготовления, в среднем требуется 15-20 минут готовки, а также достаточно широким ассортиментом. [142, 187, 197].

В девяностые годы охлажденное мясо цыпленка-бройлера было представлено в ассортименте крупных столичных супермаркетов и главным образом состояла из импортного мяса. Значительная часть птицефабрик России не производило мясо птицы в охлажденном виде, так как в условиях конкуренции с дешевым импортным мясом было выгоднее производить в замороженном виде. В 2001 году наладился выпуск отечественного охлажденного мяса курицы преимущественно в областях, где функционировали большие фабрики. Это стало возможным благодаря переходу птицефабрик к новым собственника и вложениям средств в модернизацию и расширение производства.

Прогнозируется, что с 2012 по 2017 годы объем производства охлажденного мяса птицы в мире вырастет на 13%, а в Азиатско-Тихоокеанском регионе - на 53%. - 14 Спрос на отечественные продукты из мяса ежегодно увеличивается, так в период с 1999 по 2013 годы объем мяса птица на российском рынке вырос почти в 2,5 раза. Согласно диаграммы производства мяса птицы в России, представленной на рисунке 1.1, следует, что самый большой процент производства занимает мясо кур бройлеров (97%), доля мяса индейки в структуре производства мяса птицы составляет чуть более 2%, на долю прочих видов мяса приходится менее 1% от всего объема производимого на фабриках [187].

На сегодняшний день, рынок мясных продуктов птицеводства можно разделить на 2 большие группы: первая группа - это охлажденное мясо, вторая группа - замороженное. К первой группе относят продукты из мяса, которые подверглись охлаждению не более чем до 0 С, при этом срок хранения такого мяса составляет пять суток при t - 1+ 1 С. Группа замороженного мяса, подверглась глубокой заморозки (-36С), срок хранения двенадцать месяцев при t -18 С, четырнадцать месяцев при t -25С. Специалистами выделяется особый сегмент - производство охлажденного мяса цыплят - бройлеров. Изучение рынка мяса птицы показало, что данный продукт на Российском рынке не является однородным и его условно можно разделить на две большие группы: мясо в тушках и мясо в частях. Кроме того, отечественные производители стремятся к расширению ассортимента, поэтому на рынке предлагаются и другие виды разделки птицы: грудка с крылышками, четверть туши, задняя часть туловища с ногами, и т.п. Не основным, но достаточно популярным в потребительской среде товаром стали субпродукты: голова, шея, лапки, желудочки, сердечки и печень. Они предлагаются как в охлажденном виде, так и замороженном.

Для оснащения продуктами учебных заведений, таких как школы, большой спрос наметился на продукты, так называемые полуфабрикаты: котлетки мясные из куриного мяса, различный паштеты, пельмешки, колбаса, блюда, готовые к употреблению и др. В части областей доля курицы, подвергшейся глубокой переработки доходит до 50 % от всей доли продукции, которая производится. Например, «Комсомольская» (г.Пермь), «Свердловская», «Боровская» (Тюменская область), «Колмогоровский бройлер», «Кузбасская птицефабрика», «Платошинская», «Птицефабрика Яшкинская», «Мысковская птицефабрика», «Птицефабрика сибирячка», «Птицефабрика Камышенская», «Птицефабрика северная» (Кемеровская область) и др. [1, 171].

В России, в настоящее время, функционирует свыше 600 птицефабрик, в том числе 166 бройлерных и 450 фабрик, ориентированных на производстве яиц.

Основными поставщиками продукции в Новосибирской области являются Октябрьская (г. Новосибирск), Коченевская, Новосибирская (НСО), кроме того агрохолдинг «Сибирская губерния» в Красноярском крае. В последние годы все птицефабрики г. Новосибирска существенно наращивают темп производства охлажденной птицы, кроме расширения своих производственных площадей занимаются внедрением в переработку мяса птицы современных, передовых технологий [171, 197, 280]. В Ленинградской области одними из крупных производителей мяса птицы являются птицефабрики «Северная», «Ломоносовская», продукция которых - это охлажденное мясо (температура охлаждения 0...4 С).

С учетом увеличения доли потребления мяса птицы охлажденного вида 6 предприятий, расположенных в Москве и Московской области, переоснастили производство и начали выпуск охлажденного мяса курицы: Глебовская, АПК Константинове, Жилино - Горковская.

Новое производство по охлаждению мяса курицы запустила фабрика «Золотой петушок Инвест» в г.Брянске, мощность данного производства составляет 35 тыс. т. за 12 месяцев. В Липецке на действующем производстве «Золотой петушок Инвест» планируется постепенный переход от выпуска замороженной курятины к охлажденной, таким образом увеличивая объем выпуска продукции до 60 000 т. тонн в год.

Фабрика АПК «Михайловский» большую часть продукции выпускает в охлажденном виде, что позволило в 2010 г. двум фабрикам «Михайловского» увеличить производства почти втрое - до 100 тыс. тонн в убойном весе. Также сокращает объем продукции глубокой заморозки, в пользу охлажденной группа «Агрохолдинг». У «Ставропольского бройлера» доля охлажденного мяса птицы в настоящее время составила 36%, в следующем году планируется увеличение до 47%.

Допущения, принятые при решении задачи

Задача, поставленная в работе, рассматривает холодильную обработку тушек цыплят, геометрическая форма которых приближается к полому цилиндру. Необходимо учитывать, что теплоотвод при холодной обработке цыпленка осуществляется и от внутренней и от наружной поверхности тушек.

Разработанные аналитические выражения, позволяющие определять продолжительность холодильной обработки продуктов, при двухстороннем отводе теплоты полученные В.А. Тейдером [259], позволяют с высокой точностью определять продолжительность холодильной обработки пластины омываемой холодным воздухом.

На основе метода предложенного В.А. Тейдером решена задача теплопереноса с учетом следующих предположений: - полая цилиндрическая форма продукта; - несимметричные условия теплообмена; - неизменная температура охлаждающей среды; - неизменные теплофизические характеристики исследуемого продукта.

За сущность взята идея о присутствии «температурного фронта», имеющего распространение от поверхности объекта к его центральной части с конечной скоростью [206]. Расчетная схема представлена на рисунке 2.1.

В результате будет определено время схождения слоев «температурного фронта» при охлаждении цыплят-бройлеров, а также диаметр термического центра (характеристика схождения температурных фронтов при теплоотводе от внутренней и от наружной поверхности тушки птицы).

Используя эффект сублимации при котором СО2 переходит из твердой фазы в газообразную при температуре минус 78 С, при обработке птицы холодом, основанной на поверхностном подмораживании тушки с выделением скрытой теплоты фазового перехода. При этом, если не брать в расчет эту теплоту, то длительность процесса окажется заниженной (первый вариант). Но, если полностью учитывать скрытую теплоту фазового перехода, то будет определяться и продолжительность промораживания всей толщины грудной мышцы (второй вариант). Учитывая данные варианты, решение поставленной задачи проведено по второму варианту с последующей корректировкой численного значения величины удельной теплоты фазового перехода, которая получается экспериментальным методом, при условии охлаждения тушек бройлера после сублимирования определенного количества снегообразного СОг.

Для расчета задачи осуществим аппроксимацию тушки цыпленка-бройлера к форме полого цилиндра и производим деление толщины этого цилиндра на слои, расположенные с наружной стороны п(сІз/сІ2) и с внутренней поверхности n(d2/di) (рисунок 2.1).

Подставив в выражение (2.22) значение п— из уравнения (2.27) d преобразуем это выражение, получим выражение для установления длительности схождения слоев «температурного фронта» при обработке тушки птицы холодом: qm г 1 1 п Т = X [ 1 J . 2я1іі9 2Л a d, пр нар (2.28) авн, анар - коэффициент теплоотдачи от внутренней и наружной поверхности тушки птицы, Вт/(м2-К), определен экспериментально.

При охлаждении рыбы, прежде всего, необходимо учитывать ее не простую геометрическую форму, неоднородность структуры и непостоянство теплофизических характеристик. В связи с этим, при описании распространения температурного фронта во время охлаждения рыбы, можно определить только меру совпадения расчетных и экспериментальных величин.

При аналитическом решении процессов охлаждения рыбы можно использовать известные решения теории теплопроводности, где рассматриваются процессы холодильной обработки неограниченной пластины, цилиндра и шара, в связи с чем, продукты, подвергаемые холодильной обработке, представляют как тело стандартной формы [297].

Из анализа, сделанного Г.Б. Чижовым [297, 298] определено, что при расчетах времени охлаждения мяса рыбы, обладающей известными теплофизическими свойствами, также как и пропорциональность по 3 пространственным осям, условия охлаждения определены, значит, прежде всего, нужно подыскать подобную геометрическую форму. Учитывая, что бока рыбы выпуклые, голова и хвост рыбы незначительно оттянуты, наиболее подходящая геометрическая форма - 3-хосный эллипсоид. При условии, что боковые сходы плоские, голова и хвост достаточно оттянуты, при значительном убывании толщины (расстоянии между правым и левым боком) от середины рыбы к голове и хвосту, к спине и брюху, наиболее подходящая геометрическая фигура - октаэдр. Затем, по соразмерности длины трех пространственных осей определяют наиболее подходящую для тела рыбы простую геометрическую форму (например, пластина, цилиндр, шар) и учитывая форму рыбы рассчитывают задачу о периоде охлаждения при тех условиях, которые будут равными заданным, и при теплофизических свойствах тела, тоже равных заданным [297].

Модель аппарата для холодильной обработки продуктов с рециркуляцией диоксида углерода

Тушки птицы были представлены в форме полого цилиндра, при охлаждении которого тепло отводилось, от наружной и внутренней поверхности, за счет сублимации снегообразного С02. При этом, интенсивность охлаждения наружной и внутренней поверхностей может быть неодинаковой. Поэтому, поток тепла измеряли с двух сторон, а величину плотности теплового потока рассчитывали как среднеинтегральное значение.

После окончания технологического процесса, тушки птицы, для хранения на птицеперерабатывающих предприятиях или транспортировки, помещают в полимерные поддоны или картонные коробки. При реализации экспериментальных исследований в научной работе, тушки птицы при охлаждении С02 укладывали в полимерные контейнеры. Тепловой поток, отводимый С02 при сублимации снега С02, можно определить следующим образом: U = —r + C (t-1 ) , (2.88) где: G - масса снега, кг; х - время сублимации диоксида углерода, с; г - скрытая теплота сублимации, соответствующая температуре поверхности снега С02, Дж/кг; Ср - теплоемкость паров C02j Дж/(кгК); t - температура окружающей среды, С; tcH- температура поверхности сублимирующегося снега С02, С. Подводимый к снегообразному С02, тепловой поток, будет состоять из двух составляющих: 1. Тепловой поток полученный за счет разности температур между температурой в контейнере и температурой окружающей среды О, =KF (t -1 \ сн / (2.89) где: К - коэффициент теплопередачи полимерного контейнера, Вт/(м2К); FKop- площадь наружной поверхности контейнера, м2. 1. Тепловой поток полученный при охлаждении мяса птицы О, M(hH — hK) (2.90) - 106 где: М - масса мяса птицы в контейнере, кг; hH- удельная энтальпия мяса птицы в начале охлаждения, Дж/кг; hK- удельная энтальпия мяса птицы в конце охлаждения, Дж/кг; т- время сублимации диоксида углерода, с. Уравнение теплового баланса, с учетом всех составляющих, будет иметь вид: G т г л . \1 т/ч- л . \ M(h -h ) [г + С (tCH)\ = Кгкор(tCH)-\ — — (2.91) Из выражения (2.91) можно получить количество снегообразного диоксида углерода, необходимого для хранения или транспортировки тушек птицы при заданной температуре G = KFKop (t — tCH)x + M(hH — hK ) [r + Cp(tCH)] (2.92) где: T - время сублимации C02, принимается из эксперимента и зависит от температуры окружающей среды. Определяет время хранения тушки птицы без возрастания её температуры, выше нормируемой (4 С) (рис. 2.4); hK - удельная энтальпия мяса птицы в конце процесса охлаждения, в зависимости от температуры установившейся после сублимации снегообразного С02, Дж/кг.

На рисунке 2.4 показана характеристика времени сублимации диоксида углерода от температуры окружающей среды, при сублимации определенного количества снегообразного диоксида углерода полученного по формуле (2.92), достаточного для достижения нормируемой температуры в тушке птицы, после полной сублимации С02.

Для определения расхода С02 для охлаждения рыбы на представленной холодильной линии, работающей по принципу непосредственного контакта диоксида углерода с рыбой, нужно вычислить количество теплоты, отводимой газообразным и снегообразным С02. Это позволит получить количество газообразной углекислоты для охлаждения наружной поверхности тушки и расход снегообразного С02 для охлаждения внутренней полости тушки рыбы.

Тепловой поток при охлаждении рыбы определен по формуле (2.90). Тепловой поток, отводимый С02 при сублимации снега диоксида углерода, определен по формуле: Gr „ , , и = —\г + С -it —t ) + q , TL р v окр CH 1 -" (2.93) где G - масса снега диоксида углерода, кг; т - время сублимации С02, с; г - скрытая теплота сублимации, соответствующая температуре поверхности снега диоксида углерода, Дж/кг; Ср - теплоемкость паров С02, Дж/(кг К); toKp- температура окружающей среды, С; ten - температура поверхности сублимирующего снега С02, С; q - внутреннее тепловыделение, для рыбы, Дж/кг. Приравняв тепловые потоки, выведем уравнение теплового баланса: G т і у окр CHJ J M(h -h ) (2.93) При охлаждении рыбы на линии, теплота от тушек отводится углекислоте, находящейся в двух фазах - газообразной от наружной - 109 поверхности, а от внутренней поверхности рыбы - снегообразной, в соответствии с этим мы можем из уравнения (2.93) определить количество газообразного и соответственно снегообразного С02, выразив это в следующих уравнениях: M(JiH—hK) G = газ Q .(to —tCH)+q (2.94) M(h —h ) G = снег (2.95) К ±L r+C (t—t )+ 7 pv CH ± где: t - продолжительность сублимации C02, находится непосредственно из опыта, с; hK - удельная энтальпия тушки рыбы в конце процесса охлаждения, находится в зависимости от температуры, установившейся после сублимации снегообразного С02, кДж/кг. Для охлаждения рыбы в среде С02, при применении традиционных холодильных аппаратов, будет достаточно определить количество газообразной углекислоты по формуле (2.94); на представленной линии для холодильной обработки рыбы, при охлаждении возникает вопрос в том, что теплота от тушки рыбы отводится С02, находящемся в 2-ух фазах: снегообразной и газообразной. Соответственно для дальнейшего расчета необходимо знать температуру, до которой будет производится охлаждение тушки рыба, при использовании только снегообразного С02.

С целью определения степени снижения температуры в тушке рыбы при подаче во внутреннюю полость тушки только снегообразного С02 был проведен эксперимент, который позволил получить данные для построения термограммы охлаждения рыбы, из анализа которой стало известно, что среднеобъемная температура тушки после сублимации С02 составила 6 С.

Учитывая, что процесс охлаждения осуществляется углекислотой, находящейся в двух фазовых состояниях и рассчитав количество снегообразного С02, необходимого для охлаждения тушки рыбы, при введении его в полость тушки, мы рассчитали и количество газообразного диоксида углерода, необходимого для охлаждения рыбы. Затем выполнили расчет для расхода газообразного СОг от температуры 6 С, приняв во внимание, среднеобъемную температуру тушки после теплоотвода снегообразным диоксидом углерода, равную 6 С по формуле (2.94).

Исследование процесса теплообмена при охлаждении цыпленка-бройлера с различными вариантами нанесения диоксида углерода

Для осуществления предлагаемого способа охлаждения проведены исследования с подачей снегообразного СО2 во внутреннюю и на наружную поверхность цыпленка-бройлера с различными температурами в камере. Основные задачи данных исследований: - установление изменения плотности теплового потока, температурного поля в процессе охлаждения тушки цыпленка; - определение продолжительности охлаждения бройлера, расхода диоксида углерода при различных температурах в камере и вариантах нанесения снегообразного диоксида углерода на поверхность тушки цыпленка - бройлера; - определение оптимальных размеров тушки цыпленка-бройлера, позволяющих вводить во внутреннюю полость тушки определенное количество снегообразного диоксида углерода, достаточное для достижения нормируемой температуры в тушке.

Бройлеры во всех проводимых исследованиях укладывались в полимерные контейнеры, т.к. предприятиями в основном используется данный вид упаковки.

В первой части проводимых экспериментов были использованы тушки бройлеров массой от 0,70 до 2,50 кг, во внутреннюю полость которых подавали снегообразный С2. Затем тушки укладывали в полимерные контейнеры и помещали их в теплоизолированную камеру с температурой 20±2,0 C.

На рисунке 4.6 показана схема размещения термопар и термограмма процесса охлаждения тушки цыпленка вес которой составляет 2,50 кг. Согласно результатам исследования внутрь тушки помещается до 0,210 кг снегообразного СОг. В течение 62 мин, происходит сублимация всего снега С02, при этом среднеобъемная температура устанавливается на уровне 2 С. Охлаждение внутреннего слоя мяса осуществляется достаточно интенсивно до криоскопической температуры, затем начинается процесс перехода воды в лед, что ведет к выделению скрытой теплоты кристаллизации и соответственно снижению интенсивности падения температуры. Кроме того, снижение темпа падения t во внутренних слоях, после прохождения t ниже криоскопической можно объяснить тем, что частично снегообразный С02, который был помещен в полость рыбы, уже сублимировал и между скелетом тушки цыпленка и хладагентом появилась газовая подушка, которая создала термическое сопротивление теплоотдаче. t,c

Согласно изменениям температуры на поверхности тушки, темп ее падения умеренный. Количество снега, который внесли во внутрь птицы, находится в достаточном количестве для слоев. Темп падения температуры поверхностного слоя еще сохраняется даже после полной сублимации диоксида углерода, что приводит к снижению температуры до 3 -4 С, это позволяет рекомендовать для тушки массой 2,50 кг охлаждение снегообразным СО2, подаваемым только в полость тушки птицы.

График изменения плотности теплового потока при холодильной обработке цыпленка-бройлера, вес которого составляет 2,50 кг, с размещением снегообразного диоксида углерода во внутренней полости при tK=20±2C изображен на рисунке 4.7.

График изменения плотности теплового потока при охлаждении цыпленка-бройлера массой 2,50±0,05 кг с подачей снегообразного С02 во внутреннюю полость при tK=20±2C Анализ кинетики теплоотвода говорит о том, что среднеинтегральное значение плотности теплового потока равно qcp= 600 Вт/м2, максимальное значение - qmax = 2340 Вт/м2. Значение максимальной плотности теплового потока достигается в начальный период, так как разность температур между тушкой и диоксидом углерода максимальна, и теплоотвод проходит интенсивнее. Затем происходит резкое падение плотности теплового потока, в связи с тем, что температура тушки начинает понижаться.

Можно заметить, что среднеинтегральное значение коэффициента теплоотдачи от внутренней части тушки равно 7,4 Вт/(м2К), а максимальное значение коэффициента теплоотдачи находится на уровне атх = 28 Вт/(м2К) (рисунок 4.8).

График изменения коэффициента теплоотдачи процесса охлаждения цыпленка, вес которого составляет 2,50±0,05 кг, с введением снегообразного СО2 во внутреннюю полость при tK=20±2C

При обследовании внутренней полости тушки, после полной сублимации С02, не установлено подмораживание мяса, это можно объяснить тем, что снегообразный СО2 размещен во внутренней полости цыпленка-бройлера, защищенной костным скелетом, и как следствие не имеет прямого контакта с мясом. Также при сублимации снегообразного диоксида углерода образуется газовая прослойка, между снегообразным СО2 и мясом птицы, которая не допускает подмораживание мяса. Эксперименты по охлаждению тушек цыпленка-бройлера массой до 0,70±0,05 кг, при этом температура в камере установлена 20±2 С, были проведены аналогично, результаты представлены в таблице 4.2.