Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 9
1.1. Классификация методов замораживания рыбы 9
1.2. Существующие типы азотных скороморозильных аппаратов 21
1.3. Существующие методы расчета процесса замораживания рыбы в скороморозильных аппаратах 28
1.4. Анализ качественных изменений в тканях рыбы 36
1.4.1. Прижизненные и посмертные изменения в тканях рыбы 37
1.4.2. Автолиз 43
1.4.3. Изменение структурно-механических свойств мяса рыбы 45
1.4.4. Изменения в тканях рыбы при замораживании 46
1.5. Переработка рыбных отходов 53
1.6. Выводы по литературному обзору 60
ГЛАВА 2. Постановка эксперимента, объект и методы исследования 62
2.1. Постановка эксперимента 62
2.1.1. Описание экспериментальных установок 66
2.1.2. Объект исследования 70
2.2. Методы исследования 72
ГЛАВА 3. Теплофизические основы оптимизации процесса замораживания рыбы жидким азотом ...76
3.1. Введение. Интегральный тепловой баланс процесса 76
3.2. Динамика замораживания тушек рыбы как тел сложной формы. Отведенное тепло как функция времени 82
3.3. Изменение температуры газообразного азота на этапе обдува. Дифференциальный тепловой баланс процесса 95
3.4. Термический к.п.д. установки. Учет неравномерности тепловых потерь по длине аппарата 102
3.5. Расчет продолжительности охлаждения рыбного филе 108
3.6. Расчет потерь массы вследствие усушки в процессе замораживания рыбы 126
ГЛАВА 4. Методика инженерного расчета скороморозильного туннельного аппарата 135
4.1. Описание азотного скороморозильного туннельного аппарата 135
4.2. Методика инженерного расчета аппарата 136
ГЛАВА 5. Исследование качественных показателей пресноводных рыб при замораживании и холодильном хранении 147
5.1. Изменения в тканях пресноводной рыбы при замораживании 147
5.1.1. Титруемая кислотность и величина рН 147
5.1.2. Содержание влаги и влагоудерживающая способность 150
5.1.3. Содержание белков и аминного азота мышечной ткани пресноводных рыб 153
5.1.4. Изменение липидов мышечной ткани пресноводных рыб 159
5.1.5. Структурно-механические свойства мышечной ткани пресноводных рыб 160
5.2. Изменения при хранении замороженной пресноводной рыбы 161
5.2.1. Титруемая кислотность и величина рН 161
5.2.2. Содержание влаги и влагоудерживающая способность 165
5.2.3. Изменение белков и аминного азота 169
5.2.4. Изменение липидов мышечной ткани 178
5.2.5. Структурно-механические свойства мышечной ткани 186
ГЛАВА 6. Исследование пищевых и кормовых
Отходов рыбного сырья 189
6.1. Водно-тепловой гидролиз пищевых рыбных отходов 189
6.2. Обоснование технологии гидролиза отходов
рыбоперерабатывающих производств 194
6.2.1. Белки как основной гидролизующийся компонент сырья 194
6.2.2. Гидролиз белков 198
6.2.3. Виды гидролизуемого сырья. Различные варианты гидролиза 201
6.2.4. Обоснование технологии гидролиза коллагенсодержащего сырья 205
6.2.5. Химические превращения небелковых компонентов сырья...212
6.3. Получение и исследование фаршей из пресноводной рыбы 216
Выводы по работе 239
Список использованной литературы
- Существующие типы азотных скороморозильных аппаратов
- Описание экспериментальных установок
- Изменение температуры газообразного азота на этапе обдува. Дифференциальный тепловой баланс процесса
- Содержание влаги и влагоудерживающая способность
Введение к работе
Одной из важных отраслей отечественной пищевой промышленности, являющейся поставщиком белоксодержащих продуктов, является рыбо-перерабатывающая отрасль. За последние 5 лет Россия снизила объемы добычи морской рыбы и морепродуктов на 20...25 %, что связано с чрезмерной промысловой нагрузкой иностранными пользователями на объекты лова. При этом сырьевая база внутренних пресноводных водоемов России оценивается в 290...300 тыс. тонн только по традиционным промысловым видам, без учета товарного рыбоводства. Выше указанная причина позволяет предположить, что доля речных видов рыб на оборотном рынке будет повышаться. В пресноводных акваториях Северо-западного региона обитают различные виды пресноводных рыб, отличающихся по биохимическому составу и пищевой ценности. Совершенствование производства высококачественного сырья и конечных продуктов должно происходить в направлении создания и освоения новых технологических процессов, в частности в области холодильной обработки рыбы. Среди различных способов замораживания гидробионтов перспективным является криогенный метод, осуществляемый посредством контакта продукта с жидким и газообразным азотом. Жидкий азот транспортабелен и может быть доставлен в количествах, с учетом объемов и сезонности лова. Азотные скороморозильные аппараты дешевы, просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Для широкого развития азотного метода необходимо, в первую очередь, отыскать способы минимизации расхода азота на единицу продукции. Максимальное использование холодильного потенциала хладоагента связано с созданием принципов и расчетных алгоритмов, позволяющих оптимизировать процесс криогенного замораживания по расходу азота. Из-за тенденций потребительского рынка на увеличение производства рыбного филе переработка пресноводного рыбного сырья влечет за собой образование значительного количества белоксодержащих отходов. При современном технологическом уровне переработки пресноводных гидробионтов, объемы отходов составляют от 30 до 50% от массы сырья, а существующие технологии их переработки сложны, энергоемки и трудоемки. Гидролиз отходов рыбо-перерабатывающей отрасли - перспективный метод получения легкоусвояемого пищевого и кормового белка.
Работа выполнялась в рамках подпрограммы "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК" Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения".
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и создание принципов выбора и совершенствования комплексной энергосберегающей и экологически безопасной технологии переработки традиционного и малоиспользуемого пресноводного рыбного сырья на новые продукты пищевого и технического назначения, при значительном удлинении сроков холодильного хранения пресноводного промыслового сырья и продукции, при сохранении их высокого качества.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи: разработать физико-математическую модель теплообмена в системе «азот + продукт + окружающая среда» на 2-ух этапах криогенного замораживания: обдув продукта газообразным азотом и орошения продукта жидким азотом; решить задачу о продолжительности охлаждения рыбного филе до криоскопической температуры на поверхности; разработать основные принципы определения параметров процесса криогенного замораживания рыбы, позволяющих достичь минимального расхода жидкого азота на единицу замораживаемой продукции; разработать и экспериментально подтвердить алгоритм расчета параметров процесса замораживания и соответствующего аппаратурного оформления; рассчитать общее время процесса в условиях криогенного замораживания; изучить влияние посмертного состояния пресноводной рыбы на ее качество при криогенном и воздушном замораживании и холодильном хранении; разработать технологические рекомендации по замораживанию пресноводной рыбы в зависимости от ее вида и посмертного состояния; дать научное обоснование использования растительных текстуратов и белоксодержащих добавок для производства рыбных полуфабрикатов и фаршей; разработать технологию переработки пищевых рыбных отходов от разделки рыбы и нетоварного ассортимента с целью получения геле-образующих добавок для рыбоконсервной и полуфабрикатной продукции, оценить качество полученного продукта по механическим и реологическим показателям; изучить кинетические закономерности кислотного гидролиза рыбных отходов; получить математическую зависимость степени гидролиза от режимных параметров процесса (времени, температуры и концентрации соляной кислоты); разработать технологические режимы кислотного гидролиза рыбных отходов на кормовые цели; на основе полученных данных разработать комплексную энергосберегающую и экологически безопасную технологию переработки традиционного и малоиспользуемого пресноводного рыбного сырья на новые продукты пищевого и технического назначения; дать технико-экономический анализ разработанных технологий; реализовать разработанные технологии в промышленности.
Научные положения, выносимые на защиту:
Физико-математическую модель теплообмена в системе «азот + продукт + окружающая среда» на 2-ух этапах криогенного замораживания; алгоритм расчета параметров процесса замораживания; продолжительность охлаждения рыбного филе до криоскопическои температуры на поверхности; основные принципы определения параметров процесса криогенного замораживания рыбы, позволяющих достичь минимального расхода жидкого азота; влияние характеристик посмертного состояния пресноводной рыбы на ее качество при криогенном и воздушном замораживании и холодильном хранении; технологические рекомендации по замораживанию пресноводной рыбы в зависимости от ее вида и посмертного состояния; обоснование использования растительных текстуратов и белоксодержащих добавок для производства рыбных фаршей; технология переработки пищевых рыбных отходов от разделки рыбы и нетоварного ассортимента с целью получения гелеобразующих добавок для рыбоконсервной и полуфабрикатной продукции, оценить качество полученного продукта по механическим и реологическим показателям; кинетические закономерности и технологические режимы кислотного гидролиза рыбных отходов; технико-экономический анализ разработанных технологий.
Научная новизна состоит в разработке положений создания комплексной энергосберегающей и экологически безопасной технологии переработки традиционного и малоиспользуемого пресноводного рыбного сырья на новые продукты пищевого и технического назначения, при сохранении их высокого качества.
Предложен алгоритм расчета параметров процесса замораживания и соответствующего аппаратурного оформления; разработана физико-математическая модель теплообмена в системе «азот + продукт + окружающая среда» на 2-ух этапах криогенного замораживания: обдув продукта газообразным азотом и орошения продукта жидким азотом; рассчитана продолжительность охлаждения рыбного филе до криоскопической температуры на поверхности; разработаны основные принципы определения параметров процесса криогенного замораживания рыбы, позволяющих достичь минимального расхода жидкого азота на единицу замораживаемой продукции; показано влияние характеристик посмертного состояния пресноводной рыбы на ее качество при криогенном и воздушном замораживании и холодильном хранении; представлены технологические рекомендации по замораживанию пресноводной рыбы в зависимости от ее вида и посмертного состояния; научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические приемы по использованию отечественных растительных текстуратов, для производства рыбных фаршей; разработана технология получения гелеобразующих добавок для рыбоконсервной и полуфабрикатной продукции из пищевых рыбных отходов от разделки рыбы и нетоварного ассортимента; определено качество полученных гидролизатов по механическим и реологическим показателям; предложены кинетические закономерности кислотного гидролиза рыбных отходов; разработаны технологические режимы кислотного гидролиза рыбных отходов на кормовые цели; сформулирован и реализован подход для технико-экономического анализа комплексной энергосберегающей технологии переработки пресноводного рыбного сырья на новые продукты пищевого и технического назначения.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты исследований апробированы и внедрены в условиях промышленного производства рыбной продукции (приложение 8). Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Холодильная технология», «Функциональные и технологические добавки», «Методы исследований состава и свойств сырья», «Товароведение продовольственных товаров», «Стандартизация и сертификация» по специальностям 260504 - «Технология консервов и пищеконцентратов», 260602 - «Пищевая инженерия малых предприятий» и направления 552400 - «Технология продуктов питания».
Существующие типы азотных скороморозильных аппаратов
Существующие типы азотных скороморозильных аппаратов можно разделить на две группы: погружного и форсуночного типа. Первая группа скороморозильных аппаратов использует погружной в криожидкость принцип замораживания пищевого продукта, вторая - принцип распыления криожидкости на продукт через форсунки. Однако температура выходящих паров из таких скороморозильных аппаратов достаточно низкая на уровне минус 50... минус 70 С. В связи с этим перспективно использование отходящих от аппарата холодных паров азота в проточных системах, обеспечивающих дальнейшую холодильную обработку пищевых продуктов [3-5,69].
Проточные азотные скороморозильные аппараты погружного типа являются наиболее старыми и известными [144, 150, 151, 154]. PIx достоинством является простота конструкции, удобство в обслуживании, меньшие, по сравнению с форсуночными установками, капитальные затраты. Главным недостаток - неэкономный расход криовещества, высокая интенсивность теплоотдачи, что вызывает растрескивание продуктов, а в некоторых случаях приводит, наоборот, к снижению теплоотдачи вследствие появления тонкого пограничного слоя, состоящего из паров жидкого азота.
Одной из последних разработок является модель, предложенная японскими специалистами [155]. Аппарат содержит два кольцевых транспортера, выполненных из специального материала, расположенных в непосредственной близости один от другого и служащих для перемещения подлежащих замораживанию объектов - пищевых продуктов. Между лентами транспортеров расположена зона перемещения, центральная часть которой расположена в емкости с криожидкостью.
Продукт вводится в зону перемещения через входное отверстие, погружается в жидкость, замораживается и выводится через выходной желоб. Отличительной особенностью данной установки является тот факт, что объекты в процессе перемещения переворачиваются и подаются к выходному желобу, расположенному с той же стороны, где расположено и входное отверстие.
Предложена также модификация этой модели [156], отличающаяся тем, что содержит транспортер, по которому объекты перемещаются через воздушную среду и через криожидкость. Переворачивание объектов происходит в жидком азоте. На поверхности транспортера расположены сетчатые лотки для размещения объектов замораживания. Каждый лоток содержит крышку, механизм для автоматического запирания крышки перед переворачиванием лотка и механизм для автоматического открывания крышки перед повторным переворачиванием.
Оба аппарата имеют один значительный недостаток - громоздкость. Более совершенным является аппарат, разработанный в Великобритании [138, 139]. Морозильный аппарат имеет удлиненный туннель, который наклонен к горизонтальной плоскости и может вращаться вокруг продольной оси. В туннеле образована преграда, удерживающая слой жидкого азота, накапливающийся между преградой и верхним (по потоку) концом туннеля. Замораживаемые штучные продукты загружают в туннель на транспортере, с которого эти объекты сбрасываются в слой жидкого азота. При вращении туннеля объекты выносятся из слоя жидкого азота и выгружаются через остальную часть туннеля и выходной конец. Замороженные пищевые продукты и пары азота удаляют из туннеля через общее выходное отверстие с поворотной пластинкой, ограничивающей пропуск потока через это отверстие для того, чтобы создать к туннеле небольшой подпор, препятствующий проникновению в туннель наружного воздуха.
Существенным недостатком азотного скороморозильного аппарата погружного типа является также возможность накопления жидкого кислорода в ванне с жидким азотом, что может привести к самовозгоранию по мере испарения последнего.
Проточные азотные скороморозильные системы форсуночного типа разрабатывались с целью уменьшения расхода жидкого азота на единицу выработанной продукции и повышения интенсивности замораживания за счет тонкого распыла криовещества. Уменьшение расхода жидкого азота достигается за счет применения многозонности аппарата.
Рациональной системой проточного хладоснабжения в этом случае является трехзонная азотная система, которая позволяет использовать пары азота после его испарения в зоне замораживания (2-я зона), для предварительного охлаждения (1-я зона) и выравнивания температуры по толщине продукта (3-я зона).
Описание экспериментальных установок
Лабораторный криогенный морозильный аппарат является моделью выпускаемого промышленностью туннельного криогенного морозильного аппарата с горизонтальным конвейером ACTA [49], использующим схему "обдув + орошение".
Схема аппарата ACTA представлена на рис. 2.2.
Рабочее пространство аппарата делится на три зоны. В зоне I рыба обду-вается газообразным азотом, который образуется при испарении жидкого. В этой зоне происходит предварительное охлаждение продукта до криоскопиче-ской температуры и частичное замораживание (35...45 % по объему).
Во второй зоне (И) на поверхности рыбы осуществляется пленочное кипение жидкого азота, в результате чего происходит домораживание продукта. В третьей зоне (III) происходит выравнивание температуры замороженного продукта по его объему.
Рыба и азот движутся противотоком: жидкий азот вскипает на поверхности продукта и в газообразной фазе продвигается к выходу из аппарата, после чего выбрасывается при конечной температуре минус 50...минус 30 С. Определяемое данными параметрами соотношение длин участков орошения и обдува позволяет минимизировать расход жидкого азота на 1 кг замороженной рыбы [49,98,203].
Лабораторный аппарат для криогенного замораживания пищевых продуктов представляет собой теплоизолированную камеру, в которую через форсунки, расположенные у верхней стенки камеры, подается жидкий азот. В отличие от вышеописанного промышленного аппарата, распределение по этапам холодильной обработки в лабораторном аппарате реализовано по времени: на первом этапе рыба обдувается газообразным азотом, на втором на поверхности рыбы осуществляется пленочное кипение жидкого азота, а на третьем - выравнивание температуры продукта. Установленный в камере циркуляционный осевой вентилятор обеспечивает обдув замораживаемого продукта на первом этапе и перемешивание слоев охлаждающего воздуха на третьем этапе.
В работе так же использовался воздушный скороморозильный аппарат, представляющий собой горизонтальную теплоизолированную рабочую камеру, в которую через расположенную снизу газораспределительную решетку, набранную из лопаток, подается холодный воздух, обеспечивающий замораживание уложенного на решетку продукта.
Для сушки полученных рыбных гидролизатов использовалась сушильная установка со встречно закрученными потоками инертного носителя (СВЗП) [172], основными узлами которой являются теплогенератор, сушильная камера, циклон и вентиляционная группа.
Общий вид сушильной камеры показан на рис. 2.3.
Сушильная камера цилиндрической формы состоит из следующих конструктивных элементов. В нижней части камеры (1), присоединенной посредством фланца (2) к теплогенератору, находится основная газораспределительная решетка в виде поворотных лопаток (3), угол установки которых может изменяться от 0 до 35 градусов посредством поворотного механизма (4). В верхней части камеры (1) установлена дополнительная газораспределительная решетка (5), выполненная в виде цилиндрических сопел (6), расположенных в горизонтальной плоскости под углом 40...60 градусов к центральной оси камеры.
Теплоноситель поступает к решеткам через патрубки (7) и (12) и закручивает в направлении стрелок А и В инертные тела (8), на которые посредством пневматической форсунки (9) тонким слоем наносится высушиваемый продукт. Для устранения застойных зон в центре камеры установлен конус (10), покрытый, как и внутренняя поверхность камеры, антиадгезионным материалом (фто ропласт Ф-4Д). Под действием теплоносителя (горячего воздуха) напыленный продукт высыхает, скалывается и вместе с отработанным теплоносителем уносится в циклон, где происходит их разделение. Сухой продукт собирается в приемник, а очищенный от продукта воздух выбрасывается в атмосферу.
Объектом исследования в данной работе являлась пресноводная рыба, широко распространенная в Северо-Западном регионе: судак, щука, лещ, плотва и окунь.
Судак (Lucioperca lucioperca) и окунь (Perca fluviatilis) относятся к семейству окуневых. Это хищные рыбы, обитающие в бассейнах морей Европейской части России и имеющие промысловое значение, особенно судак, который является важной промысловой рыбой. Мясо окуневых нежирное, вкусное и сочное, богатое экстрактивными веществами, поэтому окуневые широко применяются в кулинарии [100, 190]. Значительная часть улова реализуется в свежем виде, а так же используется для приготовления консервов и рыбного филе.
Лещ (Abramis brama) и плотва (Rutilus rutilus), принадлежащие к семейству карповых, обитают во всех внутренних водоемах нашей страны. Их мясо вкусное, средней жирности, но содержит много межмышечных костей. Карповые используются для приготовления вяленой и копченой продукции, консервов, а так же в кулинарии. Щука (Esox lucius) относится к семейству щуковых, населяет реки и озера почти всей России. Хищная рыба, имеет большое промысловое значение. Химический состав исследуемых видов рыб представлен в табл. 2.1 [60, 100,164,204,205].
Изменение температуры газообразного азота на этапе обдува. Дифференциальный тепловой баланс процесса
Итак, как мы установили выше, для корректного расчёта продолжительности первой стадии процесса (стадии обдува) необходимо знать зависимость температуры хладагента (паров азота) от времени, прошедшего с момента начала процесса. Поскольку нагрев хладагента идёт в основном за счёт остывания продукта и, в меньшей степени, за счёт притока тепла извне через теплоизоляцию, то для нахождения искомой зависимости необходимо составить общий тепловой баланс системы "продукт + азот". В пункте 3.1 мы составляли этот баланс интегрально за всё время процесса, откуда и определяли необходимый относительный расход азота М. Здесь же нам предстоит составить этот же баланс дифференциально за время dx, после чего нужно будет произвести совместное интегрирование уравнений для температуры паров азота и замороженной части продукта.
Рассмотрим сечение аппарата, в котором находится продукт, пробывший в аппарате время х с долей замёрзшего объёма v. Эти величины связаны соотношением (3.18). Пусть за время dx газообразный азот, находящийся в этом сечении аппарата, получил тепло dQ (Дж/кг) на единицу массы. Мы можем написать: dQ = Ca3 dtXJl, где Саз - удельная теплоёмкость азота, Дж/(кгК).
С другой стороны, от продукта было отнято тепло ц-dQ-M (опять же на единицу массы продукта). В соответствии с соотношениями (3.20), мы можем записать: Таким образом, мы получаем следующее дифференциальное соотношение: -M y\-Ca3-dtXJl=q -dv. (3.21)
Уравнение (3.21) и представляет собой дифференциальный тепловой баланс процесса. В настоящем параграфе мы будем предполагать величины rj и Саз постоянными. На самом деле это не совсем так: поскольку температура азота по ходу процесса понижается, то теплопотери возрастают, а, следовательно, уменьшается термический к.п.д. т. Теплоёмкость азота Саз также зависит от температуры, особенно заметно вблизи температуры кипения tmM то есть в конце первой стадии процесса. Позднее, в следующем параграфе, мы проанализируем влияние этих факторов, пока же ими пренебрежём. Тогда уравнение (3.21) можно рассматривать как дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, интегрирование которого даёт: хл= кон ,, (3.22) г-М-Сш
При интегрировании мы учли тот факт, что в самом начале процесса, когда v = 0, температура азота равна конечной tK0H. Таким образом, температура хладоносителя в первом приближении линейно зависит от доли замороженного объёма v. Однако это не означает, что профиль температур хладоносителя по длине аппарата будет линейным. Поскольку продукт в аппарате движется равномерно, профиль температур определяется зависимостью tM от времени х, связанной с долей замороженного объёма v соотношением (3.18), которое является существенно нелинейным.
Соотношение (3.25) даёт нам искомую продолжительность первого этапа замораживания, учитывающую изменение температуры паров азота в ходе процесса. Интеграл в (3.25) может быть найден лишь численно. В таблицах приложения 1 приведены значения функции (7(,Ф,Уі) при различных значениях параметров , Ф и Vj. Следует отметить, что параметры \ и Ві могут меняться в достаточно широких пределах (поскольку сильно зависит от конечной температуры азота tK0H, а Ві - от скорости обдува продукта), а вот параметры Ф и v\ меняются в довольно узких пределах: 0,35.. .0,5 и тот и другой.
Как было отмечено в предыдущей главе, обычно при подобных расчётах в качестве температуры хладагента берут среднее значение между соответствующими температурами в начале процесса tK0H и конце процесса /„,„. Для сравнения нашего более точного метода с этим приближённым вначале выразим упомянутое среднее через параметры, входящие в (3.25). Вначале подставим в (3.22) значение v, отвечающее концу этапа обдува, то есть v = v\.
Здесь мы воспользовались тем фактом, что в конце этапа обдува температура азота равна температуре кипения tKUn. Далее, необходимо выбрать способ усреднения. Самое простое - использовать среднее арифметическое, но в холодильной технологии часто используется также среднее логарифмическое. Вид первого слагаемого в правой части (3.25) наводит на мысль, что наилучшее соответствие с точным решением мы получим в том случае, если будем использовать именно среднее логарифмическое, причём усреднению будем подвергать разность температур At = tKp.
Содержание влаги и влагоудерживающая способность
При замораживании рыбы происходит достаточно заметная потеря массы продукта вследствие его усушки, которая обычно составляет 0,5...1,5 % от общей массы продукта в зависимости от вида рыбы, типа и условий замораживания и пр. [49]. Поэтому задача расчёта усушки рыбы при замораживании является весьма актуальной как для азотного, так и для других типов замораживания. Попытки применения существующих методов расчёта усушки к нашему случаю приводят к некоторым затруднениям. Во-первых, имеющиеся методы применимы, строго говоря, только для тел простой формы, то есть для бесконечных пластины и цилиндра и шара. Реальная же форма тушек рыбы, как мы уже отмечали, не может быть с достаточной степенью точности аппроксимирована ни одной из этих простых форм.
Во-вторых, предложенные методы либо предполагают, что испарение влаги с поверхности продукта идёт как со свободной поверхности воды, либо, если это далеко от реальности, вводят чисто эмпирический коэффициент сопротивления испарению, который можно определить только экспериментально. В случае замораживания рыбы этот коэффициент будет весьма существенным, так как чешуя рыбы создаёт достаточно заметное сопротивление испарению. Ну и наконец в-третьих, все существующие методы предполагают, что температура окружающего продукт хладоносителя постоянна по ходу процесса. Таким образом, для решения задачи определения усушки при замораживании необходимо, во-первых, модернизировать существующие методы, приспособив их для тел произвольной формы и меняющейся температуры хладагента, и, во-вторых, провести экспериментальное определение коэффициента сопротивления испарению для различных видов рыб.
Основное расчётное соотношение для определения усушки продукта т (кг), полученное в [112], имеет вид: где ф - относительная влажность хладоносителя, безразмерная; tnoe(d) - температура поверхности продукта, С, как функция безразмерной толщины замороженного слоя 8; X{t) - влагосодержание хладоносителя с температурой t при стопроцентной относительной влажности, кг/м , которое может быть определено по известной эмпирической формуле Филоненко. Она справедлива для воздуха, но разница с азотом здесь несущественна.
Интеграл (3.77) в [112] предлагалось определять численно, что было возможно в случае, когда известны зависимости tnoe{b) и dx/dd, которые могут быть точно получены для тел простой формы при анализе вывода формулы Планка.
В параграфе 3.2 мы получили соотношение (3.11), связывающее время х с безразмерной толщиной замороженного слоя 8. Для этого мы взяли соответствующие выражения для тел простой формы и подобрали аппроксимирующее выражение, содержащее коэффициент формы Ф. Естественно для нахождения зависимости tnoe{b) воспользоваться тем же приёмом.
Выражения для tnoe{b) в случае тел простой формы следующие [112]: Ков (з)= »+{ кР - О l+Bh8 -пластина; ttm (5) = хл + { кр - J 1_Щ.1П(1_$) " ЦИЛИВДР; (3J8) тх»(5) = лл +( / ) l + (B/_!). ШаР Предлагаемая нами общая зависимость имеет вид: tnoe(b) = +{tKpxM\ + Bi- Ь{\-д)Щ . (3.79)
При сравнении зависимости (3.79) с зависимостями (3.78) при соответственно Ф = 1; 1/2; 1/3 видно, что при Ф = 1 и Ф = 1/3 выражение (3.79) точно совпадает с формулами (3.78), а при Ф - 1/2 нет - в соответствующем выражении (3.78) имеется логарифм, а в (3.79) - нет (ситуация абсолютно аналогична параграфу 3.2, где речь шла о зависимостях для т(5)). В табл. 3.8 приведены значения безразмерной температуры, умноженной на число Био (так удобнее, поскольку в выражении (3.77) разность температур всё равно умножается на коэффициент теплоотдачи): В і №,Ві) = Ві т» хм, t Ікр Іхл вычисленные по обеим формулам, вкупе с относительной погрешностью приближённой формулы (3.79) по сравнению с точной формулой (3.78) для цилиндра. Значения приведены для случая Ві = со, поскольку именно в этом случае разница будет наибольшей.
Из табл. 3.8 видно, что заметные расхождения между значениями, даваемыми формулами (3.78) и (3.79) для цилиндра, начинаются лишь при значениях 8, близких к единице, то есть в самом конце процесса замораживания, когда поверхность продукта имеет температуру, близкую к температуре хладагента и когда испарение влаги с поверхности тела почти отсутствует (по оценкам авторов [112] 80 % влаги испаряется за первую половину времени замораживания). В интересующей же нас области, отвечающей началу процесса, эти значения разнятся всего на несколько процентов, что несущественно. Таким образом приближённая формула (3.79) достаточно достоверна.
Итак, для расчёта усушки продукта при его замораживании необходимо подставить значения tnoe, полученные по формуле (3.79), в общее выражение для усушки (3.77) и далее провести интегрирование (численным методом, так как аналитически подобные интегралы не выражаются). В приложении 3 приведён текст программы, производящей расчёт усушки при замораживании (на языке QuickBasic).
Однако полученное в результате значение будет справедливо лишь при условии, что процесс усушки представляет собой "первый период сушки" [124], то есть испарение влаги с поверхности продукта идёт как испарение со свободной поверхности воды. Поскольку реально это обычно не выполняется, в холодильной технологии вводят понятие коэффициента сопротивления испарению ц, [208]. Он представляет собой отношение масс испарившейся воды со свободной поверхности воды и с поверхности продукта соответственно (при одинаковых условиях). Для нахождения коэффициента сопротивления испарению обычно используют изопиестический метод [208]. Однако этот метод используется в основном для определения искомого коэффициента при положительных температурах, что применяется при расчёте усушки при охлаждении
