Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния теории и практики холодильного производства пищевых продуктов 14
1.1. Охлаждение пищевых продуктов. 14
1.2. Замораживание пищевых продуктов 25
1.3. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. 42
1.4. Системы холодильного производства и анализ мегодов их оптимизации 47
2. Программно-целевая модель и объекты исследований 53
2.1. Программно-целевая модель исследований 53
2.2, Обоснование выбора объекта исследований 53
3. Исследование теплофнзических характеристик объектов холодильной обработки 60
3.1. Плотность рыбы, ее компонентов и рыбных блоков 60
3.2. Доля вымороженной воды 65
3.3. Энтальпия, удельная теплоемкость, температура начала замерзания и полного вымораживания влаги 67
3.4. Коэффициент теплопроводности 74
3.5. Коэффициент температуропроводности блоков рыбы 88
4. Учет практических факторов в исследованиях теплофизическпх процессов холодильной обработки 94
4.1. Тепломассообмен в процессах холодильной обработки пищевых продуктов 94
4.2. Влияние неоднородности блоков на продолжительность замораживания 104
4.3. Продолжительность замораживания продуктов в блоках 109
5. Взаимовлияние параметров работы элементов и подэлементов в системе холодильных производств 119
5.1. Оптимальная толщи і га блоков 119
5.2. Энергетические затраты на процессы холодильных производств 134
5.3. Выбор температуры охлаждающей среды для хранения и замораживания пищевых продуктов 146
5.4. Тепловая нагрузка в системе холодильных производств пищевых продуктов 152
5.5. Тепловые и гидромеханические процессы в элементах транспортировки холода 166
5.6. Выбор циркуляционных насосов хладагента для транспортировки холода к устройствам холодильной обработки ISO
5.7. Самоустановление производительности иасосов холодильного агента в насосно-циркуляционных схемах охлаждения 185
5.8. Холодопроизводителыюсть компрессоров в насосно-циркуляционных схемах охлаждения 190
5.9. Системы предварительного охлаждения рыбы 196
6. Исследование энергозатрат в судовых системах холодильного производства рыбы и рыбопродуктов 202
6.1. Энергозатраты в системах предварительного охлаждения рыбы 203
6.2. Энергозатраты в системах производства замороженной рыбы 209
6.3. Технико-экономические характеристики систем охлаждения трюмов рефрижераторных судов 215
6.4. Оптимизация судовых систем холодильных производств рыбы 222
Заключение 229
Выводы 231
Список использованной литературы
- Замораживание пищевых продуктов
- Энтальпия, удельная теплоемкость, температура начала замерзания и полного вымораживания влаги
- Влияние неоднородности блоков на продолжительность замораживания
- Выбор температуры охлаждающей среды для хранения и замораживания пищевых продуктов
Введение к работе
В экономике страны важная роль принадлежит рыбному хозяйству, которое является поставщиком ценной; пищевой, кормовой и технической продукции (рыбной муки и; жира, кормовой рыбы для пушного производства, агар-агара, различных биологически активных веществ и др).
С 1990 года1 начало наблюдаться резкое сокращение флота и соответственно уменьшение добычи рыбы и ее потребление населением страны. Так, если 20...30 лет назад добыча рыбы составляла 10...11 млн. тонн при населении страны 250 млн. человек, т.е: 40 кг на человека, то за период с 1991 года по 2002 год обпшй: объем вылова водных биологических ресурсов сократился с 6,93 млн. тонн до 3,29 млн. тонн и составляет в настоящее время 20 кг на человека.
Потребление рыбной продукции в расчете на душу населения за указанный период уменьшилось с 18 кг до 10 кг в год, в то время как но медицинским нормам оно должно составлять 21 кг. При этом рыбная продукция стала менее доступной для широких слоев населения из-за продолжающегося роста цеп и его низкой платежеспособности.
Увеличился импорт рыбной продукции. По сравнению с 1991 годом он возрос в 2,8 раза и составляет 610 тыс. тонн. Высок уровень физического износа и морального старения оборудования судов и берегового рыбоперерабатывающего комплекса:
С целью: подъема, рыбной отрасли Государственным комитетом Российской Федерации по рыболовству (ныне Федеральное агентство по рыболовству) разработана стратегия единой государственной политики. выраженная в Концепции развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 года [90], одобренная распоряжением Правительства Российской Федерации от 2 сентября 2003 года №1265 -р.
В области научно-технического прогресса Концепция предусматривает повышение эффективности добычи и переработки водных биологических ресурсов за счет внедрения повой техники и технологии, глубокой и
5 комплексной переработки; сырья, совершенствования методов хранения и транспортировки рыбной продукции.
Вследствие отдаленности основных сырьевых ресурсов рыбного хозяйства в мировой и отечественной практике доминирующая часть заготавливаемой и производимой рыбной продукции подвергается - воздействию искусственного холода, для чего используются различные методы и устройства холодильной" обработки и хранения, а также разнообразные технические средства, обеспечивающие производство искусственного холода и его транспортировку к продукту.
Таким образом, выполнение программы Концепции в части обеспечение научно-технического прогресса и= в условиях создавшейся рыночной конкуренции зависит от решения проблемы повышения эффективности холодильных производств рыбного хозяйства с одновременным получением качественных, биологически полноценных и безопасных пищевых продуктов при наименьших энергетических затратах. Решение этой проблемы связано с необходимостью дальнейшего развития научных основ теории теплофизических, массообменных и гидромеханических процессов, фундаментальные основы которых разработаны А.В.Лыковым, А.Е. Вейником, С.С. Кутателадзе и другими учеными,
Применительно к технологии холодильных производств эти труды нашли развитие в работах Н.А. Головкина, Г.Б. Чижова, Д.Г. Рютова, A.M. Бражникова, Э.И.Каухчешвили. И.Г, Алямовского, А'.С. Гинзбурга, И:Г. Чумака, НА. Рогова, К.П. Венгер, В.Е. Куцаковой, Б.Н: Семенова и других исследователей;
Значительный вклад в разработку и создание отечественных технических средсгв холодильной обработки пищевых продукте внесли В.П.Зайцев, А.Е.Ниточкин, СМ. Мекеницкий, А.П. Шеффер, А.Г. Ионов и другие инженеры.
Существенную роль в развитии теории и практики технологии холодильных производств сыграли труды зарубежных ученых: Р.Планка, Л.Бартлетта, А.Лондона. Р.Хайса, У.Тамма, Л.Риделя, Ф.Леви, А.Гака, Г.Лорентцена и др.
Следует констатировать, что за период с 19У0 года вследствие недостаточного финансирования снизился, объем и сократилось количество
публикаций по научным исследованиям, направленным на повышение эффективности холодильных производств рыбного хозяйства. Вместе с тем, эти исследования не прекращаются и уже к настоящему времени Ю.А. Фатыховым и автором настоящей работы [172, 174, 178, 181 и др.] созданы научные основы для решения задачи глубокой и комплексной переработки сырья, поставленной Концепцией развития рыбного хозяйства. Разработанная технология криообработки гидробионтов дает возможность обеспечить комплексную безотходную переработку рыбы в замороженном состоянии и получать из нее или ее отдельных компонентов пищевую, кормовую, техническую и медицинскую продукцию.
Технология криообработки гидробионтов позволяет также перерабатывать рыбу пониженной товарной ценности и создавать из нее новые виды продукции на фаршевой основе.
Повышение эффективности холодильных производств возможно лишь на базе научных исследований и может достигаться как за счет совершенствования конструкции элементов и процессов, происходящих в них, так и за счет выбора наиболее рациональных режимов их работы.
Если в области создания конструкций оборудования имеет место постоянный прогресс, то совершенствованию процессов и выбору рациональных режимов их работы уделяется недостаточное внимание. Для подтверждения этого укажем, что конечная температура замораживания и температура хранения рыбы па судах колеблется в широком диапазоне температур и составляет от -18*Сдо-бОС[741.
Холодильное производство рыбной продукции является весьма энергоемким процессом. Так на судах рыбопромыслового флота мощность электродвигателей системы холодильного производства составляет до 50% от мощности судовой электростанции. Для сравнения отметим, что в мясной промышленности затраты на электроэнергию при производстые холода также велики и по данным работы [126] составляют 60% от суммарных эксплуатационных расходов. Поэтому одной из практических задач научных исследований должна быть разработка мероприятий, направленных на сокращение энерго'шра г.
Несмотря на сравнительно большой объем ранее выполненных исследований в области теории и практики технологии холодильных производств, проблеме повышения их эффективности уделяется все еще недостаточное внимание и требуют решения многие задачи. Они заключаются в дальнейшем изучении теплофизических характеристик пищевых продуктов, которые имеют, как правило, сложную неоднородную структуру и оказывают существенное влияние на интенсивность теплом ассообменных процессов и энергозатраты. Недостаточное развитие получило аналитическое описание закономерностей теплофизических процессов при холодильной обработке и хранении пищевых продуктов.
До настоящего времени исследования процессов и определение рациональных режимов выполнялись индивидуально для устройств холодильной обработки пищевых продуктов без учета их взаимосвязи с процессами, происходящими в других элементах сложной системы, включающей также технические средства производства искусственного холода и его транспортировки к устройству.
Вышеизложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего развития теоретических основ процессов в системе холодильных производств и автор полагает, что выполненные им исследования и их результаты актуальны. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ КГТУ (КТИРПпХ).
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в разработке принципов повышения эффективности технологических процессов холодильных производств пищевых продуктов на основе теоретических и экспериментальных исследований проявляемых свойств и закономерностей взаимовлияющих процессов в элементах единой системы холодильной обработки продукции, производства и транспортировки искусственного холода.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: проанализировать современное состояние теории теплофизических процессов холодильной технологии пищевых продуктов и оптимизации оборудования и систем:
исследовать теплофизические характеристики блоков рыбных продуктов как сложных неоднородных объектов холодильной обработки и разработать методы их расчетного определения;
разработать методы вычисления продолжительности замораживания пищевых продуктов в блоках;
разработать методику определения температуры начала замерзания, полного вымораживания влаги и доли вымороженной воды;
исследовать влияние факторов, определяющих условия замораживания, на производительность морозильных установок;
исследовать влияние изменения тепловой нагрузки в процессах холодильной обработки на холодопроизводительность устройств производства холода и температуру охлаждающей среды;
исследовать процессы в насосночшркуляционных схемах іранспортировки холода к устройствам холодильной обработки пищевых продуктов и их взаимосвязь с процессами в других элементах системы;
исследовать влияние различных факторов на энергозатраты в судовых системах холодильного производства рыбы и рыбопродуктов.
разработать метод оптимизации судовых систем холодильного производства рыбы it рыбопродуктов.
Научная концепция. Комплексный учет взаимосвязи элементов единой системы холодильного производства пищевых продуктов. На защиту выносятся:
концептуальный подход к исследованиям технологических процессов холодильной обработки пищевых продуктов в единой системе производства, транспортировки и использования холода;
научное обоснование методов и результатов определения теплофизических характеристик пищевых продуктов при отрицательных температурах;
математическая модель процесса тепломассообмена при холодильной обработке и хранении пищевых продуктов;
теплофизические закономерности влияния неоднородности структуры блоков на продолжительность замораживания;
закономерность взаимосвязи технологических параметров процесса замораживания и цикличности работы морозильных установок с их производительностью;
физическая и математическая модели процессов в насосно-циркуляционных схемах транспортировки холода к устройствам холодильной обработки;
метод выбора оптимального варианта судовой системы холодильного производства рыбы и рыбных продуктов;
совокупность результатов, дающих возможность обосновать и рекомендовать к практическому применению разработанных методов расчетов теплофизических процессов технологии холодильных производств и элементов систем для их проведения.
Научная новизна работы. Обоснованы и определены принципы единой системы холодильного производства пищевых продуктов, состоящей из элементов производства, транспортировки и использования холода, находящихся во взаимосвязи между собой.
Установлены закономерности и разработан метод учета массообмена в расчетах теплофизических процессов холодильной обработки пищевых продуктов и получена зависимость тепломассообмена для расчета и анализа потерь влага продуктами.
Установлены закономерности влияния неоднородности структуры блоков пищевых продуктов на продолжительность замораживания.
Разработана методика расчетного определения температуры начала замерзания, полного вымораживания влаги и полной удельной теплоемкости различных пищевых продуктов, которая базируемся на математических зависимостях и экспериментальных данных калориметрических исследовании по определению энтальпий пищевых продуктов.
Установлены и математически описаны закономерности изменения плотности, удельной теплоемкости и коэффициентов теплопроводности рыбы, ее отдельных компонентов и блоков рыб, как неоднородных систем, в широком диапазоне отрицательных температур.
Экспериментально-расчетным методом определены теплофизические характеристики блоков из различных видов рыб в широком диапазоне температур.
Установлены закономерности и математически описано влияние изменения тепловой нагрузки в устройствах холодильной обработки пищевых продуктов на температурный режим работы.
Разработаны математические модели судовых систем предварительного охлаждения и замораживания рыбы.
Установлены закономерности процессов в насосно-циркуляпиоиных схемах транспортировки холода и их влияние на устройства холодильной обработки и производства холода.
Разработана методика определения оптимального варианта судовой системы холодильного производства рыбы и рыбных продуктов.
Практическая значимость работы. Результаты научных исследований позволили разработать: методику расчетного определения теплофизических характеристик рыб и блоков рыб в замороженном состоянии; рекомендации по технолопіческим режимам и эксплуатации элементов береговых и судовых систем охлаждения, замораживания и хранения рыбы и рыбопродукции; методику определения максимально возможной производительности морозильной установки и оптимальной толщины блоков в зависимости от режима ее загрузки, параметров и условий замораживания; методику определения тепловой нагрузки морозильных установок и равновесной температуры охлаждающей среды: методику расчета пасоено-пиркуляционных систем охлаждения, выбора насосов и определения холодопроизводительности компрессоров; методику выбора оптимального варианта судовой системы холодильного производства рыбы и рыбопродукции.
Реализация результатов исследований. Осуществлена в виде законченных НИР, выполненных в рамках хоздоговорных и госбюджетных работ КГТУ за период 1971-2004 гг. Результаты исследований в виде методик расчета и проектирования, рекомендаций по конструктивному совершенствованию и эксплуатации судовых и береговых систем холодильного производства пищевых продуктов переливы для внедрения и использованы рядом проектно-
конструкторских организаций и предприятий Калининграда и Калининградской области.
Большинство разработанных автором методик и рекомендаций внедрены в ОАО «Калининградский проектно-конструкторский центр» («ПКЦ-Флот»), ООО «Переход», Калининградской базе тралового флота,. 000 «Группа компаний ФОР».
По результатам НИР проведена модернизация морозильных комплексов на судах: БМРТ «Короленко», «Плунге», ПР «Светлый», «Калининград», РТМС «Призвание»;. PTMG «Ранд-2». На; 12 судах внедрены рекомендации по эксплуатации систем холодильной обработки рыбы. Выполнены и реализованы 20 проектов береговых цехов и;предприятий по холодильному производству пищевых продуктов.
Рекомендации «Пути повышения эффективности использования роторных морозильных агрегатов в пищевой г промышленности» (в соавторстве), «Холодильные установки: методические рекомендации7 по проектированию роторных плиточных морозильных аппаратов и их охлаждающих систем» (в соавторстве) использовались специалистами мясной: и рыбной отраслей промышленности страны.
Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при подготовке научно-технической и учебно-методической литературы для учебного процесса вузов по специальностям 271 ООО-Технология рыбы и рыбных продуктов и 170600-Машины и аппараты пищевых производств:
Лпроиацая работы. Основные положения и результаты: работы докладывались, и обсуждались на конференциях, семинарах и совещаниях различного уровня, в том числе:
Всесоюзных НТК «Пути повышения выпуска и сохранения качества пищевых продуктов, внедрения безотходных и малоотходных технологий па основе использования искусственного холода (Тбилиси, 1984), «Пути интенсификации производства и применения искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса (Ташкент, 1985), «Интенсификация производства и применения искусственного холода» (Ленинград. 1986).
12 «Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса» (Москва -Кишинев, 1987), «Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте» (Одесса, 1989);
международном конгрессе и конференциях: XVl-th international congress of refrigeration (Paris, 1983), «Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование» (Калининград, 1997), «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 1997), «Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса» (Краснодар, 1997), «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении: Балттехмаш» (Калининград, 1998, 2000, 2002)), Международной НТК, посвященной 40-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 85-летию высшего рыбохозяйственного образования в России» (Калининград, 1999), «Прогрессивные пищевые технологии третьему тысячелетию» (Краснодар, 2000), « Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (С.-Петербург, 2001), «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2003), «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий, производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции (Воронеж, 2003), «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004), «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2004), «Budowa і exploatacja maszyn przemyslu spozywczego (Koszalin-Darlowko, Polska, 2004); "Наука и образование» (Мурманск, 2004), «Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК» (Москва, 2004), ((Transport Means 2004» (Kaunas. Lituania, 2004); Всероссийских семинарах с международным участием: «Холодильная техника и технология» (Краснодар. 1998), «Применение холода в пищевых производствах» (Калининград, 1999). а также на конференциях, семинарах и совещаниях регионального и отраслевого уровня (Калининград. Москва. Мурманск, Иван-город, 1980-2004 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 83 работы, из них одна монография, четыре учебных пособия (одно с ірифом У МО по образованию в области рыбного хозяйства).
13 Выражаю искреннюю признательность и благодарность всем, кто был причастен к выполнению настоящего исследования: Заслуженному деятелю науки Российской; Федерации, Лауреату Государственной премии; доктору технических наук, профессору А.Г.Ионову, научному консультанту доктору технических наук, профессору Ю.А.Фатыхову, доктору технических наук, профессору В.А. Наумову, кандидатам технических наук, доцентам О.К.Боголюбскому и А.С.Бестужеву, а также другим преподавателям и
сотрудникам Калининградского государственного технического университета, участвовавшим в выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ по данной тематике.
Автор также благодарен главному механику Калининградской- базы
тралового флота А.С.Либерману главному конструктору ЦПКТБг «Запрыба» (ныне ОАО «Калининградский проектно-конструкторский центр») В.С.Самгину, директору ООО «Переход» Н.Г.Савескулу, заместителю главного инженера 000- «Группа компаний: ФОР» Ю.С:Лузганову- за- активную поддержку и участие во внедрении результатов данной работы.
Замораживание пищевых продуктов
Замораживание пищевых [іродуктов осуществляют для увеличения стойкости и длительности его хранения, отделения влаги при концентрировании фруктовых соков, сублимационной сушке, криообработки продуктов
С теплофизической точки зрения под замораживанием понимают превращение влаги, содержащейся в продукте и представляющей водные растворы солей, Сахаров, кислот, в лед. При этом температура продукта понижается ниже температуры начала замерзания тканевых соков tH:j.
Термин «криоскопическая температура», которым широко пользуются в холодильной технологии для обозначения температуры начала замерзания, является неточным, так как в классической теории физической химии под криоскопической температурой понимают не температуру начала замерзания, а разность между температурой замерзания растворителя (для пищевых продуктов воды) и раствора. Применение термина «криоскопическая температура» вместо «температура начала замерзания» приводит в теории тепло физических процессов холодильной технологии пищевых производств в ряде случаев к необходимости принимать значения температур по абсолютной величине [t.
В связи с тем, что при замораживании граница раздела между отвердевшей (замерзшей) и жидкой (незамерзшей) фазами перемещается, задачу по определению продолжительности замораживания называют задачей о теплопроводности с подвижной границей, раздела. Схема замораживания приведена на рис.3. Эта задача решалась еще два века назад Ламе, Клапейроном, Стефаном и в последствии Лейбензоном, а также:многими другими учеными и не только для нужд холодильной технологии.
Многочисленные решения этой задачи различались неодинаковым заданием граничных условий, стереометрическими и теплофизическими особенностями замораживаемых тел, вводимыми упрощениями и методами решения.
Классическим решением задачи о продолжительности замораживания неограниченной пластины является:формула Р.Планка [257], полученная им в 1913 году и широко используемая для практических расчетов в настоящее время.. Такие же решения были получены Р.Планком [257] для цилиндра и шара и все их можно представить одной обобщенной формулой
При наличии между поверхностью продукта и теплоотводящей средой промежуточных слоев (упаковки, стенок морозильных плит, воздушных прослоек между упаковкой и продуктом и др.), создающих дополнительное термическое сопротивление, формула (1.15) принимает вид: т-ЗЕкф R 2Й. + п й (1-:16). 5 где: - - - термическое сопротивление всех дополнительных слоев; 5, и А. - толщина и коэффициентыЇ теплопроводности: каждого дополнительного слоя.
Формула Р.Планка четко отражает влияние основных факторов, определяющих: продолжительность замораживания. Ими являются: толщина продукта, температура охлаждающей среды, теплофизические свойства продукта, коэффициент теплоотдачи и др.
Аналитическое решение задачи о продолжительности замораживания пластины толщины 5 = 2R при замораживании от начальной: температуры, tH tMJ до конечной; температуры: в центральной плоскости tK4 tm получено Д.Г.Рготовым[145, 197].
При выводе формулы (1.17) Д.Г.Рютовым были приняты следующие допущения:
1. понижение температуры пластины после схождения границ раздела подчиняется закономерностям простого охлаждения;
2. дальнейшее понижение температуры пластины происходит при граничных условиях первого рода, что было откорректировано введением поправочного коэффициента т;
3. начальное распределение температуры в плитке линейное, т.е. в момент схождения границ раздела температурная линия представляет с осью абсцисс равнобедренный треугольник.
И.Г.Алямовский [10] уточнил формулу (1.17), оставив только первое допущение и приняв начальное распределение температуры, подчиняющееся параболическому закону, в результате чего она приобрела вид:
Если в этой формуле критерии F0 и Ві выразить через размерные величины и написать решение относительно продолжительности замораживания т, то оно окажется тождественным формуле Р.Планка.
Возможность описания теплообмена при замораживании в виде связи между критериями F0 и Ві дало основание для получения многочисленных эмпирических зависимостей [120, 121, 194, 202 и др.] для вычисления продолжительности замораживания разных продуктов различной геометрической формы в виде
Энтальпия, удельная теплоемкость, температура начала замерзания и полного вымораживания влаги
Доля вымороженной І воды может служить количественным показателем качества замороженного продукта [22] и ее определение: представляет собой важную задачу холодильной технологии, так как ее величина определяет расход. холода иа замораживание и тепловую нагрузку на охлаждающие приборы и холодильную установку.
Расчетное определение доли вымороженной влаги выполняют, как правило, по формуле (1.23), полученной Т.Б.Чижовым на основе закона Рауля для разбавленных недиссоциированных растворов. Практическая температура начала замерзания большинства видов продуктов составляет 1т = -0,5...- 2С.
По мнению В.З.Жадана [54]: по мере вымораживания воды,.остающийся: более концентрированный: внутриклеточный-; сок продукта переетаег подчиняться закономерности, выраженной формулой (1.23), в связи с чем она нуждается в поправочном коэффициенте. На основании обобщения и математической обработки опытных данных им получена следующая формула 0 = 1-1,12 + 0,05 . t Д.Г.Рютовым [149] предложена уточненная формула, учитывающая наличие связанной воды где b — содержание связанной воды в кг на кг сухого вещества.
Однако для расчетов она не может быть использована из-за отсутствия данных по величине b для большинства видов продуктов. Эта формула была получена и использована Д.Г.Рютовым для определения содержания связанной влаги и энергии ее связи для некоторых продуктов по известным значениям доли вымороженной влаги, данные но которым в литературе крайне малочисленны.
Приведенные формулы для определения доли вымороженной воды отвечают одному граничному условию Й = 0 при t = tH1, но не отвечают другому. При температуре равной эвтектической, которая как принято считать рядом исследователей для продуктов составляет -65,..-55С, должно быть а = 1, в то время как результаты расчетов по ним дают значение а 1 даже при температуре абсолютного нуля со 1.
Литературные сведения о возможности и температуре полного вымораживания воды в продукгах противоречивы.
С одной стороны, отмечаете я, что из-за наличия связанной воды она не вымораживается даже при температурах ниже -120С. Данные Л.Риделя по доле вымороженной воды со для морских рыб [262], приведенные в справочнике [196], показывают, что при t = -30...-40С а »90% и при дальнейшем понижении температуры не увеличивается.
С другой стороны, имеются свидетельства о способности воды к полному вымораживанию при более высоких температурах. Так, данные Л.Риделя, полученные при обработке результатов собственных калориметрических исследовании [262] по разрабоїанноп им же методике, сщідеіе.іьстнуют, что вымораживание воды,заканчивается при ц 30С. Аналогичные результаты приведены в работе [2], которые получены, электрометрическими исследованиями, основанными на сравнении электрического сопротивления водного льда, незамороженного и замороженного продукта.
Исследования О.Чармы и П.Муди. [239], результаты которых также приведены в работе [203]; также подтверждают, что с понижением температуры продукта доля связанной воды уменьшается.
Лав установил [114], что при;температурах порядка 90 К и по данным В.П.Латышева [102, 105, 108] ее полное вымораживание возможно и имеет место при температурах порядка 70 К.
Приведенные Г .Б .Чижовым результаты собственной обработки опытных данных Л. Риделя для вареной говядины [203 ] показывают, что при температуре -180С удельная теплоемкость связанной воды cwc становится равной=удельной теплоемкости льда сл, что предполагает ее полное вымораживание. Изложенное дает основание допустить возможность полного вымораживания влаги пусть даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
В работе [227] нами предложена формула для определения доли вымороженной влаги, дающее при t, значение ш= 1. Выражение получено из формулы (1.23) путем введения в нее корректирующего коэффициента, с учетом которого оно принимает вид
Влияние неоднородности блоков на продолжительность замораживания
Неоднородность блоков из-за наличия в нем воздуха обусловливает уменьшение его плотности и коэффициента теплопроводности по сравнению с этими же теплофизическими характеристиками рыбы и оказывает влияние на продолжительность замораживания.
Работ но исследованию влияния неоднородности блоков на продолжительность замораживания нам не известно. Однако однозначно можно утверждать, что оно противоречиво. Так, из формулы Р.Планка и др. зависимостей для вычисления продолжительности замораживания следует, что уменьшение плотности замораживаемого продукта, с одной стороны, сокращает продолжительность замораживания, а с другой; за счет уменьшения, коэффициента теплопроводности, увеличивает.
Следствием неоднородности является также .неполный и неравномерный контакт поверхностей блока и формы, в которой: он замораживается, что в конечном итоге приводит к уменынению коэффициента теплоотдачи в местах отсутствия: контакта: и увеличению продолжительности замораживания: Это проявляется- при: замораживании: блоков рыбы в закрытых блокформах и в плиточных морозильных аппаратах. В практике блочного замораживания с целью увеличения площади контакта и уменьшения неоднородности применяют подпрессовку блоков давлением до 5 кПа. Превышение этого давления приводит к механическому поврежденшо рыбы.
Анализ влияния неоднородности блоков рыб на продолжительность замораживания, выполнен нами в работе [229]. В качестве исходной характеристики неоднородности блока принят коэффициент скважности єск, по величине которого рассчитывали плотность блока р&, из формулы (3.4) при плотности рыбы р = 1000 кг/м3.
Коэффициент теплопроводности блока Хб1 определяли по формуле Максвелла (3110), которая применительно к нашему случаю имеет вид где Хр и Яв - коэффициенты теплопроводности рыбы и воздуха, Вт/(м-К). Для расчетов принято: Я,р =1,163 Вт/(м-К) и А,в =0,024 Вт/(м-К).
Анализ влияния неоднородности блока на продолжительность замораживания, которую рассчитывали по формуле Р .Планка, выполняли для различных значении коэффициента теплоотдачи.
Средний по поверхности блока коэффициент теплоотдачи, учитывая контактируемые и не контактируемые с формой или морозильными плитами участки, можно рассчитать по формуле f где а и аЙХ - коэффициенты теплоотдачи от контактируемых и не контактируемых участков поверхности блока с поверхностью форм или плит, Вт/(м2-К); f« и fm- площадь контактируемых и не контактируемых участков, м2; f , = fK + fHlt - площадь блока, определяемая геометрическими размерами блокформ, м2.
Принимая площадь контактируемых с блокформой участков рыбы пропорциональной объему рыбы в блоке, а площадь не контактируемых участков - объему воздуха, можно записать f V V -V J нх % "в Єс Тогда из двух последних выражений следует формула для определения среднего коэффициента теплоотдачи по поверхности блока а = а-гск(а-анк). (4-11)
Величина оск определяется заданными условиями замораживания, а анк можно определить по известному выражению для естественной конвекции аик=9,77 + 0,07(іг-10), где tf и to-температура поверхности продукта и охлаждающей среды, С.
Количество отведенного тепла при замораживании блока, равное изменению его энтальпии, определяется по правилу аддитивности Ahnmn +ДЬ ,т„ где Ahp и AhB - изменение энтальпии рыбы и воздуха при его замораживании, кДж/кг; m и тв - масса рыбы и воздуха в блоке, кг; т6л = т + га, - масса блока, кг. Выражая соответствующие массы через объем и плотность, после преобразований последнего выражения получим ДН ДЬр-е Ь днр-ДпЕ) = ЛЬ -ЗЕ-РЙ ДН -ДЬ,). (4.12)
Изменение энтальпии воздуха при снижении его температуры в процессе замораживания блока было определено с учетом того, что воздух находится в насыщенном состоянии.
Результаты определения изменения энтальпии блока тощей рыбы (р =1000 кг/м3)" при замораживании от tK=+10C до различных конечных температур и разных коэффициентах скважистости єсіс приведены в табл.17. Для расчетов данные по энтальпии рыбы hp и свойствам влажного насыщенного воздуха pi, Ъяг приняты из работ [136, 164].
Выбор температуры охлаждающей среды для хранения и замораживания пищевых продуктов
При замораживании продуктов температура охлаждающей среды, должна обеспечить достижение заданной конечной среднеобъемной температуры, которая в свою очередь должна быть равна температуре последующего хранения хч т.е. tvk=tx. В мировой практике в период с 1945 г. по 1960 г. наблюдалась тенденция снижения температуры хранения с — 18С до -30С, что объяснялось необходимостью увеличения стойкости продукта для создания «резерва качества» с целью компенсации его потерь из-за имеющихся «разрывов» между звеньями в непрерывной холодильной цепи. Эти «резервы» были вызваны низким уровнем механизации при перегрузках продукта и недостаточным оснащением торговых предприятий холодильным оборудованием.
Другими причинами перехода на более низкие температуры являлись необходимость сокращение усушки и исключение абсорбции и десорбции запахов при совместном хранении различных продуктов в строящихся в то время больших по емкости камерах.
Естественно, что понижение температуры хранения и, соответственно, замораживания вызывает увеличение капитальных затрат па холодильное оборудование, изоляцию и эксплуатационных расходов, связанных с ростом потребления энергии на производство холода.
На современном уровне состояния и развития холодильного производства проблемы «разрывов» в непрерывной холодильной цепи и усушки продуктов успешно решаются путем создания и применения контейнеров, современных средств складирования и транспортирования грузов, упаковочных материалов и на первое место выдвигается задача снижения энергетических затрат на производство холода.
Потребителя любой продукции, в том числе полученной в результате холодильной обработки, в первую очередь интересует ее качество, которое определяется продолжительностью тх и температурой тх хранения.
Исследования изменений качества продуктов в процессе хранения в зависимости от температуры и сроков хранения представляют сложную и трудоемкую задачу, поскольку качество определяется многими показателями, и проводились различными исследователями для разных продуктов [56, 92, ! 11 и ДР-].
В работе [56] показано, что при хранении замороженного мяса при t4 =-23 С в течение 21 суток его качество практически не отличалось от мяса хранившегося при tx=-2S С. Повышение температуры хранения до t - —12... —18 С приводит к значительному изменению качества по разным показателям. Т.КЛебской и др. [IllJ по изменениям ультраструктурных и биохимических показателем установлено, что при хранении скумбрии при t4--25C и течение 4 мес. ее качество нормальное, а через 5 мес. наблюдаются некротические изменения.
Л.А.Коржемановой [92] по результатам опытного хранения трески при температурах -10, -18 и -28С, используя в качестве показателя качества изменения в основных группах белков и применяя метод количественной оценки качества Г.Б.Чижова [207] получено, что при температуре -10С срок хранения трески составляет 4 мес, при —18С — 8 мес. и при —28С - 14 мес.
Многообразие качественных показателей продукта привело к необходимости разработки методов их обобщения и количественной оценки качества. Такие квалнметрические методы были созданы Г.Б.Чижовым [207] и А.М.Бражниковым [22]. В развитие метода Г.Б. Чижова Б.Н.Семеновым [151] предложен способ математического определения качества и возможной продолжительности хранения. Для расчетного прогнозирования сроков хранения продуктов В.П.Терещенко и др. [166] рекомендуют способ, основанный на линейном программировании но различным показателям качества (биохимическим, рН, ВУС, кислотному и переклсному числам, содержанию летучих жирных кислот и др.).
При решении практических задач холодильного храпения различных пищевых продуктов пользуются графиками зависимости возможной продолжительности хранения от температуры, приведенными в Рекомендациях Международного института холода [259, 260]. Впервые связь между этими величинами была установлена Д.Г.Рютовым а виде уравнения тх = AxI0 Bxl , где Ах и Вх - коэффициенты различные для разных продуктов.
Вместе с тем, как отмечает Г.Б.Чижов [208] эта зависимость по результатам ряда исследований для многих продуктов имеет экспоненциальный характер, что нашло подтверждение в первом издании Рекомендаций Международного института холода [259]. Во втором издании тех же рекомендаций [260] эти же зависимости для тех же продуктов и для возможного практического срока хранения, обеспечивающего необходимое потребителю качество, имеют отклонения от экспонент. По мнению ряда ученых, это вызвано различием в природных свойствах одного и того же вида продукіа. его состоянием перед холодильной обработкой и другими еще не выясненными факторами.
