Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и современных тенденций развития технологии и техники производства быстрозамороженных пищевых продуктов 15
1.1. Технологические аспекты производства быстрозамороженных продуктов 15
1.2. Прогрессивные тенденции в современной холодильной технологии и технике 23
1.3. Проточные азотные системы хладоснабжения для быстрого замораживания, хранения и транспортировки пищевых продуктов 33
1.4. Выводы. Научная концепция, цель и задачи работы 42
2. Научные основы быстрого замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате с низкотемпературной системой хладоснабжения проточного принципа действия 47
2.1. Классификация объектов быстрого замораживания 47
2.2. Анализ аналитических исследований процесса быстрого замораживания пищевых продуктов 53
2.3. Математическое моделирование быстрого замораживания пищевых продуктов 63
2.3.1. Математическая модель для условий несимметричного теплообмена в трехзонном азотном аппарате 63
2.3.2. Математическая модель для условий симметричного теплообмена в однозонном воздушном аппарате 88
2.3.3. Аналитический расчет коэффициента теплопередачи 96
2.4. Проверка адекватности математических моделей 99
2.4.1. Результаты экспериментальных исследований 99
2.4.2. Результаты оценки адекватности предложенных математических моделей 112
2.5. Результаты 2-ой главы работы 123
3. Системы хладоснабжения проточного принципа действия с использованием низкотемпературных охлаждающих сред 126
3.1. Проточная система хладоснабжения с использованием жидкого и газообразного азота 126
3.1.1. Общие сведения 126
3.1.2. Принципы конструктивного оформления и расчет азотной системы хладоснабжения для холодильной обработки пищевых продуктов 127
3.2. Проточная система хладоснабжения с использованием низ котемпературного воздуха от турбодетандера 135
3.2.1. Принципы конструктивного оформления туннельного скороморозильного аппарата с воздушной проточной системой хладоснабжения 135
3.2.2. Расчет воздушной проточной системы хладоснабжения на базе турбодетандера 150
3.3. Результаты 3-ей главы работы 156
4. Оценка энергетической эффективности низкотемпературных проточных систем хладоснабжения 159
4.1. Термоэкономический метод оценки холодильной системы.. 159
4.2 Термоэкономический анализ азотной проточной системы хладоснабжения 161
4.3. Термоэкономический анализ воздушной проточной системы хладоснабжения 170
4.4. Основные результаты 4-ой главы 178
5. Оценка качества пищевых продуктов. Нормативная документация 180
5.1. Исследование качества пищевых продуктов, замороженных криогенным и традиционным воздушным методами 180
5.1.1. Исследование пищевой ценности, аминокислотного, витаминного и липидного состава замороженных мяса, субпродуктов, ягод, фруктов 180
5.1.2. Гистологические исследования мышечной ткани замороженного мяса 190
5.2. Исследование влияния метода замораживания и холодильного хранения на качество слоеного теста и сосисок 195
5.2.1. Водоудерживающая способность (ВУС), состояние липидной системы пищевых продуктов 195
5.2.2. Органолептическая оценка 204
5.2.3. Изменение пероксидных соединений пищевых продуктов 207
5.3. Микробиологические исследования 211
5.4. Нормативная документация (НД) 216
5.5. Результаты 5-ой главы работы 217
6. Технологические линии производства быстрозамороженных пищевых продуктов. Технико-экономическая оценка скоромо розильных аппаратов 219
6.1. Технологические линии производства быстрозамороженной продукции 219
6.2. Технико-экономическая оценка скороморозильных аппаратов с машинной и проточной системами хладоснабжения 224
6.3. Результаты 6-ой главы работы 231
Основные результаты работы и выводы 233
Список использованной литературы 236
Приложение №1 250
Приложение №2 273
- Прогрессивные тенденции в современной холодильной технологии и технике
- Математическая модель для условий несимметричного теплообмена в трехзонном азотном аппарате
- Принципы конструктивного оформления и расчет азотной системы хладоснабжения для холодильной обработки пищевых продуктов
- Термоэкономический анализ азотной проточной системы хладоснабжения
Введение к работе
Обеспечение продуктами питания населения земного шара — одна из важнейших экономических, социальных и политических проблем человечества. До недавнего времени главным направлением создания достаточного запаса пищевых продуктов считалось увеличение выхода сельскохозяйственной продукции. Однако важно также снижать потери и лучше хранить сельскохозяйственную продукцию. Именно здесь холод должен внести свой вклад в создание запасов продуктов, поскольку холод является одним из лучших способов длительного сохранения качества пищевых продуктов.
Одним из эффективных путей сокращения потерь сельскохозяйственного сырья, а следовательно, увеличения объемов продовольственных ресурсов, является расширение производства быстрозамороженных продуктов. По данным В. Камински наиболее важным нововведением 20 века является производство быстрозамороженных продуктов, объем которого достиг 30 миллионов тонн (без учета производства мороженого - 10 млн. т.) [140]. Производство быстрозамороженных продуктов в России не превышает десятых долей процента от мирового объема (7, 30). В мировой практике современный ассортимент продуктов консервируемых быстрым замораживанием, чрезвычайно широк. При этом каждая страна, развивающая этот метод консервирования, производит прежде всего продукты, изделия, специфичные для данного района, климата, традиций. Развитие производства быстрозамороженных продуктов в значительной степени способствует решению задачи равномерного в течение года снабжения населения ценными продуктами питания. В настоящее время производством быстрозамороженной продукции занимаются более 350 различных компаний мира. Ведущее место в производстве такой продукции за-
нимают США, Венгрия, Польша, Голландия, Франция, Италия, Япония и другие. В этих странах на душу населения приходится от 35 до 50 кг замороженных продуктов в год, при этом ежегодный прирост составляет 5...7 %. Развитие производства быстрозамороженных продуктов в Российской Федерации до настоящего времени не достигло желаемого уровня как по объему производства, так и по технической оснащенности. И в то же время наплыв из Европейских стран в Россию быстрозамороженных продуктов питания в широком ассортименте, реализуемых по очень высоким ценам, показал, что значительный спрос на эту продукцию у нас имеется практически в течение всего года. [30] Указанное отставание в большой мере обусловлено отсутствием современных и серийно выпускаемых моделей отечественной скороморозильной техники. В то же время в нашей стране накоплен значительный теоретический и практический научный потенциал по данной проблеме. В основу этих разработок положены фундаментальные исследования процесса, технологии и оборудования быстрого замораживания Рютова Д.Г., Христодуло Д.А., Аверина Г.Д., Алямов-ского И.Г., Бражникова A.M., Буянова О.Н., Венгер К.П., Головкина Н.А., Гейнца Р.Г., Журавской Н.К., Каухчешвили Э.И., Камовникова Б.П., Куликовской Л.В., Колодязной B.C., Оносовского В.В., Семенова Б.Н., Судзиловского И.И., Стефановского В.М., Чижова Г.Б., Чумака И.Г. и др.
Отечественные перерабатывающие отрасли агропромышленного комплекса в настоящее время испытывают острую потребность в скороморозильной технике. При разработке такого холодильного оборудования, помимо ликвидации его дефицита, необходимо обеспечить выпуск скороморозильной техники, соответствующей мировому уровню и способной успешно конкурировать на внутреннем и внешнем рынках. Решение таких задач становится особенно актуально в усло-
виях рыночной экономики, когда при конкуренции товаропроизводителей на первый план выйдут экономические показатели и качество продукции.
В мировой практике быстрого замораживания пищевых продуктов используют широкий спектр технических средств и соответствующих им методов, таких как воздушный, погружной в некипящей жидкости (растворы хлорида кальция, этилового спирта, пропиленг-ликоля и др.), криогенный, с использованием азота или диоксида углерода, а также комбинация криогенного и воздушного методов.
В отечественной практике применяют скороморозильные аппараты только с воздушным методом замораживания. Такие аппараты используют машинную систему хладоснабжения на базе экологически небезопасных хладагентов: аммиака, хладонов. К существенным недостаткам такого оборудования следует также отнести значительные капитальные затраты и высокий уровень энергопотребления.
Созданная индустрия холодильной обработки и хранения продуктов на базе традиционных машинных систем хладоснабжения, безусловно, должна эффективно использоваться и совершенствоваться. Однако очевидно, что в связи с высокой стоимостью, экологической опасностью машинных систем существует острая необходимость в использовании относительно дешевых, экологически чистых методов и систем холодильной обработки пищевых продуктов. С этих позиций перспективным является криогенный метод с использованием жидкого азота, особенно для Российской Федерации, где открыты большие запасы (340 млрд. куб. м) подземных высокоазотных газов. Себестоимость такого жидкого азота на порядок ниже, чем азота, полученного методом сжижения и разделения воздуха.
Криогенный метод основан на безмашинной проточной системе хладоснабжения, в которой предусмотрено одноразовое использова-
ниє рабочего тела. Основное оборудование с проточной системой организации процесса на базе сжиженного азота используется в аппаратах для быстрого замораживания. Однако температура выходящих паров азота из таких скороморозильных аппаратов достаточно низкая, на уровне —50... -70 С. В связи с этим перспективно использование отходящих от аппарата холодных паров азота в проточных системах, обеспечивающих дальнейшую холодильную обработку пищевых продуктов. Такие системы, практически полностью использующие холодильный потенциал как жидкого, так и газообразного, выходящего из скороморозильного аппарата, азота, позволят приблизить холодильную обработку к местам производства и организовать низкотемпературную, экологически безопасную непрерывную холодильную цепь.
В проточных системах хладоснабжения в качестве рабочего тела может использоваться и низкотемпературный воздух (-60 ...-І20 С) от турбохолодильной машины. Воздушная охлаждающая среда — естественная среда, благоприятна для продукта и ничего не стоит. Термодинамические свойства воздуха допускают практически неограниченное понижение его температуры, а увеличение скорости потока дает возможность достижения высоких скоростей замораживания продукта.
Перспективна и актуальна задача создания на базе скороморозильного туннельного аппарата двух поточных систем хладоснабжения — с использованием жидкого, газообразного азота или низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины.
Использование новых для отечественной практики низкотемпературных проточных систем хладоснабжения позволит решить народнохозяйственную проблему по совершенствованию производства быстрозамороженной продукции, что обеспечит значительный вклад в экономику страны.
Для решения данной проблемы автором предложена научная концепция, которая предусматривает систематизацию теоретических и экспериментальных исследований для комплексного подхода к разработке новых для отечественной практики технологических систем быстрого замораживания пищевых продуктов на базе проточных низкотемпературных систем хладоснабжения, использующих в качестве хладагентов жидкий азот или воздух от турбодетандера.
В соответствии с сформулированной научной концепцией поставлены цель и основные задачи работы.
Цель работы:
Решение проблемы повышения эффективности, экологической безопасности производства и качества быстрозамороженных пищевых продуктов путем разработки научных и практических основ создания технологических систем с использованием проточных систем хладоснабжения жидким азотом или низкотемпературным воздухом от турбодетандера.
Задачи работы:
изучить современное состояние теории и практики в области производства быстрозамороженных пищевых продуктов и определить перспективные направления его совершенствования;
разработать классификацию пищевых объектов быстрого замораживания, с помощью которой решить следующие локальные задачи:
определить теплофизические характеристики условно-расчетного продукта (УРП) для каждого класса, подкласса и группы продуктов классификации;
разработать аналитические модели расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов предложенной классификации в аппарате с проточной системой хладоснабжения жидким азотом или низкотемпературным воздух;
организовать экспериментальный стенд и выполнить исследования для проверки адекватности разработанных аналитических моделей, а также получения технологических параметров быстрого замораживания пищевых продуктов;
разработать принципы конструктивного оформления и систему оценки рациональных условий работы проточных систем хладоснабжения для холодильной обработки пищевых продуктов, обеспечивающих максимальное использование холодильного потенциала предлагаемых низкотемпературных охлаждающих сред;
обосновать метод и дать оценку энергетической и экономической эффективности предлагаемых проточных систем хладоснабжения для холодильной обработки пищевых продуктов;
исследовать и дать сравнительную оценку качества пищевых продуктов после замораживания традиционным для отечественной практики воздушным машинным методом и с использованием проточной системы хладоснабжения, а также в процессе дальнейшего их холодильного хранения;
разработать, на базе проточных систем хладоснабжения азотом и низкотемпературным воздухом, технологию и основы конструктивного оформления технологических систем производства быстрозамороженных пищевых продуктов.
Научная новизна.
Разработаны научные основы совершенствован::я технологии и техники холодильной обработки пищевых продуктов, использующие
низкотемпературные экологически безопасные хладагенты (жидкий азот, воздух) и проточный принцип организации системы хладоснабжения, позволяющие расширить ассортимент и повысить качество продукции.
Предложена классификация объектов быстрого замораживания, объединияющая широкий ассортимент штучных пищевых продуктов, где в качетсве основного критерия приняты (влажность + жиросодер-жание), и, на ее основе, определены теплофизические характеристики условно-расчетного продукта (УРГТ) для каждого класса, подкласса и группы продуктов, необходимые для расчета холодильного оборудования.
В рамках принятой классификации разработана, впервые, математическая модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов в условиях несимметричного теплообмена трехзонного азотного аппарата, а также предложена математическая модель расчета продолжительности замораживания в туннельном аппарате с низкотемпературной воздушной системой хладоснабжения, обеспечивающей симметричный теплообмен, адекватность которых доказана - экспериментальными данными.
Получены новые экспериментальные данные и установлены закономерности процесса теплообмена при быстром замораживании пищевых продуктов в азотном и воздушном туннельных аппаратах с проточной системой хладоснабжения в широком диапазоне условий внешнего воздействия.
Разработаны принципы конструктивного оформления и методика расчета проточной системы хладоснабжения на базе азотного скороморозильного туннельного аппарата, объединяющей процессы холодильной обработки (охлаждение, замораживание, хранение) пищевых
продуктов и позволяющей максимально использовать температурный потенциал паров криоагента, выходящих из аппарата.
Разработаны методика расчета и конструктивные решения подачи в туннельный аппарат низкотемпературного воздуха от турбоде-тандера (заявка на патент РФ №2002131299, полож. реш. от 27.08.03), обеспечивающие симметричные условия теплообмена, для которых получены расходные характеристики хладагента при замораживании пищевых продуктов широкого ассортимента в зависимости от условий работы аппарата.
Предложена система выбора условий организации и рациональных режимов, с применением термоэкономической оценки и степени использования температурного потенциала хладагента, работы туннельного аппарата на базе жидкого азота или низкотемпературного воздуха, а также азотной системы, использующей отработанные пары азота для организации условий хранения замороженной продукции.
Получены новые сравнительные данные пищевой ценности, биохимических, физико-химических, гистологических, микробиологических и органолептических показателей качества пищевых продуктов предложенной классификации (Пі - мясо, мясопродукты; Пг - мясо птицы, П4 — плоды, ягоды; Пб — тесто; П7 - комбинированные "тесто+начинка"), замороженных криогенным, и традиционным воздушным методами, позволившие доказать, что быстрое заморожива-ние в азотном аппарате обеспечивает высокое качество продукта и позволяет прогнозировать длительные сроки дальнейшего его холодильного хранения.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На базе обобщенных результатов исследований разработаны номограммы определения приведенных затрат на холодильную обработ-
ку пищевых продуктов в зависимости от условий организации предложенных вариантов азотной системы хладоснабжения и условий работы туннельного аппарата с низкотемпературным воздухом.
Предложены аппаратно-технологические схемы линий производства быстрозамороженной продукции на примере классов Пг - птица (заявка на патент РФ №2002135100 полож. реш. от 28.08.03), П5 -овощи, включающие на завершающем этапе холодильное оборудование с азотной проточной системой хладоснабжения.
Дан вариант такой линии для быстрого замораживания овощей (класс П5), с включением в ее работу туннельного аппарата с воздушной системой хладоснабжения от турбохолодильной машины.
Получен "Акт производственных испытаний азотного скороморозильного туннельного аппарата АСТА-30 и отработки технологии криогенного замораживания пищевых продуктов". При этом были заморожены опытные партии пищевых продуктов, позволившие разработать и утвердить нормативную документацию (НД) на следующие виды пищевых продуктов:
ТИ "Сосиски быстрозамороженные в азотном туннельном скороморозильном аппарате ACTA";
ТИ, ТУ 9137-005-17375804-02 "Тесто слоеное замороженное в азотном туннельном скороморозильном аппарате ACTA".
В НД предусмотрен вариант использования в аппарате ACTA низкотемпературного воздуха.
Получены новые данные технико-экономического анализа работы скороморозильных туннельных аппаратов с проточной системой хладоснабжения жидким азотом или низкотемпературным воздухом от турбодетандера, а также воздушного аппарата с холодильной машиной, которые позволяют определить условия эффективного их использования.
Прогрессивные тенденции в современной холодильной технологии и технике
В данном разделе главы представлен материал, позволяющий показать, что выбранная тема настоящей работы находится в соответствии с наиболее важными современными задачами в области холодильной техники, которые требуют первоочередного решения. В период становления рыночной экономики в нашей стране особо остро встают вопросы переоснащения и развития холодильной базы для консервирования скоропортящихся пищевых продуктов, в том числе быстрого замораживания. Проблему переоснащения отечественной холодильной базы необходимо рассматривать с позиции перспективных направлений развития современной техники и технологии консервирования холодом, а также с использованием прогнозных разработок в этой области. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) в мире производится более 3,9 млрд.т продуктов питания, половина из которых является скоропортящимися и требует обработки холодом. В России в 1994 году подвергалось холодильной обработке более 40 млн.т продуктов. Потери ско ропортящихся продуктов в мире в среднем составляют около 80 кг в год на душу населения [7]. Одной из основных тенденций эффективных путей сокращения потерь сельскохозяйственного сырья, а следовательно, увеличения объемов продовольственных ресурсов, является расширение производства быстрозамороженных продуктов. По оценке как зарубежных, так и отечественных специалистов, быстрозамороженные продукты выйдут на первое место в качестве основного вида пищи. Эту ситуацию в первую очередь связывают с повышением степени урбанизации во всем мире. Так в городах с населением более 20 тыс.человек в 1950 г. проживало около 20 % населения планеты, а в 1985 г. - 41 %, а к 2010 г. порядка 50 % [7, 30]. Отрасль производства быстрозамороженных продуктов развивается и в нашей стране, однако крайне слабыми темпами. Однако для такой страны как Россия, где характерны оторванность сырьевых баз от основных центров потребления и сезонность производства сырья, замораживание имеет преобладающее народнохозяйственное значение. Вышесказанное позволяет считать актуальным выбор в качестве объекта исследований процесс быстрого замораживания пищевых продуктов.
Технические средства, обеспечивающие существующие в мировой практике методы замораживания пищевых продуктов, используют машинную и безмашинную системы хладоснабжения. При классической машинной системе рабочий агент, совершив холодильный эффект, осуществляет замкнутый круговой процесс (цикл) с затратой энергии. Машинной системой хладоснабжения обеспечиваются следующие методы замораживания: воздушный, погружной в некипя-щей жидкости, контактный через металлическую поверхность. Криогенный метод, использующий жидкие азот (N2) или диоксид углерода (С02), основан на безмашинной проточной системе хладоснабжения, в которой рабочее тело не совершает замкнутого кругового процесса, т.е. система предусматривает одноразовое его использование. Комбинированный метод использует комбинации проточной с традиционными машинными системами.
Наиболее полное исследование процесса быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием методов, обеспечиваемых машинной системой хладоснабжения, выполнено в работе Венгер К.П. [26]. На основе предложенной аналитической модели расчета процесса в широком диапазоне условий организации симметричного теплообмена разработаны методы поэтапной оптимизации процесса и оборудования по критериям оптимальной скорости замораживания, оптимального метода замораживания, максимума производительности аппарата и минимума приведенных затрат. Однако в работе автором не были поставлены такие же задачи для процесса и оборудования, использующих проточные системы хладоснабжения и одна из главных причин - не симметричный теплообмен при замораживании объекта в данных системах. Как показал анализ опубликованных работ [18, 23, 25, 30,33, 42,43,44, 51, 53, 104, 110, 128] основными перспективными тенденциями в холодильной технике, которые могут быть отнесены и к морозильным аппаратам, являются: - ресурсосбережение (снижение потерь сырья, энерго- и материало-потребления при обработке холодом); - оптимальное управление холодильными системами и их элементами на базе компьютерной и микропроцессорной техники; - переход к производству холодильного оборудования полной заводской готовности для снижения капитальных затрат на его монтаж и наладку; - замена экологически опасных хладоновых агентов; - понижение температуры воздуха в камерах хранения замороженной продукции до -25...-30С, а камерах и аппаратах замораживания до—35...-40С и ниже; - использование модульного принципа при конструировании и компоновке холодильного оборудования; - переход к непрерывным технологическим линиям холодильной обработки пищевых продуктов и создание технологических машин и аппаратов, способных эффективно работать в составе таких линий. Доминирующим направлением в перечисленных прогрессивных тенденциях создания холодильной техники является ресурсосбережение. А из статей ресурсосбережения главная роль отводится потерям массы продуктов от усушки. В этом плане наибольший интерес представляют результаты прогнозных исследований Стефановского В.М. [109, ПО].
Автор делает интересные выводы: из общей суммы (100%) приведенных затрат на замораживание мяса в камерах примерно 90% приходится на потери мяса от усушки, около 4% - на текущий ремонт и амортизацию основных фондов и около 3% - на капитальные затраты. Эти данные можно отнести и на замораживание в морозильных аппаратах, что подтверждается в работе Венгер К.П. [26]. Известно, что при переходе с камерного замораживания на аппаратное, капитальные затраты, а также расходы на текущий ремонт и амортизацию оборудования возрастают приблизительно в 1,5...2 раза, но при этом резко снижаются потери массы продукта от усушки. Автор отмечает, что если, например, расход энергии при аппаратном замораживании снизить в два раза, то приведенные затраты на замораживание продукта уменьшатся лишь на 2%. А снижение потерь продукта от усушки, например, на 1% обеспечивает уменьшение приведенных затрат на 8%. Следовательно, экономическим критерием оценки работы мо розильного аппарата не могут служить только энергозатраты, а необходим комплекс показателей, обязательно включающий потери массы продукта от усушки. Такой показатель был использован в работе К.П.Венгер [25, 26] при оптимизации работы скороморозильного аппарата по приведенным затратам. Был использован комплексный показатель, включающий приведенные затраты на понижение температуры, на организацию движения охлаждающей среды в морозильном аппарате, а также затраты, обусловленные убылью массы продукта за счет усушки. При этом в качестве носителя информации о преобразовании энергии использовалась эксергия.
Следует подробно остановиться на следующих результатах прогнозных исследований В.М.Стефановского [110]. По данным зарубежных фирм за 1985...87 гг. минимальные значения потерь массы от усушки при замораживании мяса составили в среднем Уп = 0,9... 1,3%, а за последние двадцать лет усушка снизилась на У = 0,2...0,35 %. Усушка при холодильной обработке в нашей стране на У = 0,3...0,5 % выше, чем за рубежом. Прогноз к 2010 году определяет значение Упр = 0,98 %.
Математическая модель для условий несимметричного теплообмена в трехзонном азотном аппарате
Анализ математической модели, предложенной Буяновым О.Н., показал, что используемое аналитическое решение для первой стадии процесса дает значения почти на порядок отличающееся от реальных при данных условиях внешнего теплообмена. Это являлось результатом того, что даже при самых малых значениях критерия ВЇ поверхность продукта достигает криоскопическои температуры значительно раньше, чем температурный фронт — термического центра. Автор считает, что при определении продолжительности замораживания пищевых продуктов целесообразно первой стадией пренебречь. Общая продолжительность процесса - сумма продолжительностей второй и третей стадий. Проверка адекватности полученной модели дало результат на уровне 10 %,
Проведенный анализ аналитических решений показал, что для условий замораживания пищевых продуктов в трехзонном азотном аппарате можно использовать, как основу, математическую модель расчета продолжительности процесса разработанную Венгер К.П.» в основу которой положен приближенный метод интегральных соотношений Л, Лейбензона, развитый А.М. Пирвердяном, A.M. Бражнико-вым, В.А. Карпычевым, которую в дальнейшим необходимо модифицировать для условий несимметричного теплообмена криогенного аппарата,
В случае использования в туннельном аппарате низкотемпературного воздуха наиболее применима математическая модель, предложенная О.Н. Буяновым, для условий симметричного теплообмена. Такие условия теплообмена предусматриваются в конструкции аппарата такого типа, что будут рассмотрены выше.
Необходимо отметить, что объекты быстрого замораживания в своем большинстве имеют сложную форму. Поэтому для расчета продолжительности замораживания необходим переход к некоторому среднестатистическому эквивалентному телу правильной геометрической формы (пластина, цилиндр, шар), для которого могут быть получены сравнительно простые решения. Осуществить такой переход возможно, используя разработанный А.И,Вейником [29] принцип стабильного теплового потока. Подобие простых геометрических моделей их реальных аналогов основывается на равенстве интегральных характеристик, входящих в уравнение теплопроводности, такие, например, как среднеобъемная температура.
В работе KXL Венгер, при изучение трехмерных, двухмерных и одномерных температурных полей при замораживании реальных объектов сложной формы, установлено, что среднеобъемная температура этих объектов в течение всего процесса практически тождественна среднеобъемной температуре одной из геометрических простых моделей. Автор отмечает, что практически каждый из пищевых объектов предложенной классификации можно представить в виде неограниченной пластины [7,25,26]. Это положение и легло в основу выбора в качестве физической модели неограниченной пластины при разработке математических моделей,
В многозонном азотном аппарате имеет место несимметричный теплообмен, так как условия движения хладоносителя в таком аппарате в силу его конструктивных особенностей различны над лентой конвейера и под ней. Данная модель разработана автором совместно с доцентом кафедры физики МГУПБ И.Л. Аксельродом [7].
В основу решения задачи для несимметричного теплообмена положен приближенный метод интегральных соотношений Л. Лейбен-зона, развитый А,М. Пирвердяном, В.А. Карпычевым, A.M. Бражни-ковым и модифицированный K.IX Венгер для условий быстрого замораживания пищевых продуктов.
При решении используются следующие допущения: теплообмен с внешней средой осуществляется по закону Ньютона-Рихмана, причем коэффициенты теплоотдачи а\ и а,г на двух поверхностях пластины различны; теплофизические характеристики продукта постоянны в пределах одной фазы и изменяются скачком при фазовом переходе; продукт имеет постоянную по всему объему начальную температуру То; температура окружающей среды Тс также постоянна.
Процесс замораживания разделен на три характерные стадии» которые рассматриваются последовательно: - стадия охлаждения - до достижения криоскопической температуры на поверхности продукта; - стадия замораживания - до достижения криоскопической температуры в термическом центре продукта; - стадия домораживания - до достижения заданной температуры (ниже криоскопической) в термическом центре или заданного значения среднеобъемной температуры. Следует отметить, что с точки зрения технологии замораживания в многозонном скороморозильном аппарате, процесс обработки продуктов делится на периоды в соответствии с делением самого аппарата на зоны, В первом периоде охлаждение и начало замораживания происходят в первой зоне аппарата при взаимодействии продукта с парами азота, выходящими из второй зоны аппарата. Этот период должен заканчиваться тогда, когда температура на поверхности продукта равна криоскопической температуре- По окончании первого периода продукт перемещается во вторую зону аппарата, где взаимодействует с жидким азотом, поступающим из распылительных форсунок сверху продукта (над лентой транспортера). Второй период процесса заканчивается, когда среднеобъемная температура продукта достигает заданного значения (обычно - 18 С).
Принципы конструктивного оформления и расчет азотной системы хладоснабжения для холодильной обработки пищевых продуктов
Принцип работы всей системы заключается в следующем. На щит управления (12) подается напряжение; запускается вентилятор отсоса газообразного азота (1), В цистерне (15) вручную поднимается давление до требуемого рабочего, после чего переключают систему подачи жидкого азота в аппарат на автоматический режим с помощью переключателя в блоке (19). Когда требуемое давление достигнуто, автоматически откроются соленоидные вентили (25) в блоке (16) и жидкий азот по шлангу (17) направляется к системе распыления жидкого азота — коллектору с форсунками (4). Причем, установленное давление будет автоматически поддерживаться временными задатчи-ками в блоке (19). Визуально это можно наблюдать на электроконтактном манометре (14). Включаются циркуляционные осевые вентиляторы (3); включается конвейер, нажатием соответствующей кнопки на щите (12), - устанавливается требуемая скорость его движения при помощи регулятора (13). После захолаживания аппарата, исследуемый продукт укладывается в противень (24), который устанавливается на конвейерную сетку (6). Посредством мотор-редуктора (7), ведущего (28) и ведомого барабана (27) осуществляется перемещение конвейерной сетки (6) внутри туннеля. Причем продукт, соответственно, проходит три зоны скороморозильного аппарата. В первой зоне продукт предварительно охлаждается газообразным азотом, где для интенсификации процесса охлаждения работают вентиляторы (3). Далее продукт попадает во вторую зону, где происходит его непосредственное замораживание жидким азотом, распыляемым через форсунки (4). После чего продукт попадает в третью зону, где выравнивается температура по его объему. Подача жидкого азота из цистерны (15) осуществляется по трубопроводу (17) с помощью блока регулирования давления (16). С помощью регулятора давления и управляющего манометра (14) осуществляется подача газообразного азота из цистерны, что позволило смоделировать условия замораживания продукта низкотемпературным воздухом на уровне (-100.-.-120) С
Контрольно-измерительная аппаратура включает в себя два электронных потенциометра КСП-4 (20, 21), хромель-копелевые термопары, датчики тепловых потоков (22, 23) с удлинителями.
Контроль за температурой по длине туннеля и исследуемого продукта в процессе замораживания осуществлялся по показаниям автоматического электронного потенциометра КСП-4 со шкалой от 40 С до —200 С, класса точности 0,5 (20). В качестве чувствительного элемента использовались хромелькопелевые термопары с диаметром 0,3 мм (22).
Плотность теплового потока измерялась с помощью датчиков теплового потока (23)- Показания датчиков регистрировались автоматическим самопишущим электронным потенциометром КСП-4 с пределом измерения 0 4- 200 мВ, класса точности 0,5 (21).
Толщина продукта контролировалась штангенглубиномером с пределом измерения 0 -5- 350 мм и величиной отсчета 0,1 мм. Давление в азотной цистерне (15) контролировалось электроконтактным манометром ДМ — 2010 Сг. Назначение манометра: фиксирование минимального и максимального допустимого рабочего давления в цистерне и выдача сигнала в блок управления (14), а также визуальный контроль давления. Перечисленные выше приборы аттестованы по ГОСТ 8.011-72. Погрешность измерения температуры составила 6 %; теплового потока ±9,4; линейных размеров ±1,0; давления в цистерне ±1,5. Основным экспериментальным материалом служили кривые изменения: - плотности теплового потока от времени; - температуры по толщине продукта от времени; - температурного поля по длине туннеля аппарата. Датчики теплового потока устанавливали на верхней и нижней поверхности продукта, С помощью полученных кривых изменения температуры по толщине продукта (термограмм) определяли, используя метод графического интегрирования, среднеобъемную температуру продукта в различных промежутках времени и основные показатели процесса замораживания: скорость и продолжительность. С использованием термограмм процесса рассчитывали среднюю и линейную скорость замораживания. Средняя скорость замораживания, сформулированная Международным институтом холода (МИХ), определялась как отношение минимального расстояния между поверхностью и термическим центром ко времени, прошедшего от достижения поверхностью температуры 0С до охлаждения термического центра на 10 С ниже криоскопиче-ской температуры. Линейная скорость замораживания рассчитывалась из соотношения: СО - (C0i + 02)/2, где юь СО2 — линейная скорость перемещения фронта кристаллизации со стороны, соответственно, верхней и нижней поверхностей, м/с, 0і = 1і/т!( ео2=1г/т2т где 1ь ]2, Т, т2 - соответственно, расстояние и продолжительность перемещения фронта кристаллизации со стороны верхней и нижней поверхностей объекта до его термического центра, м; с. Используя экспериментально полученные значения плотности теплового потока определяли значения коэффициента теплоотдачи с использованием уравнения Ньютона-Рихмана. Для каждой зоны замораживания, методом графического интегрирования, определяли сред-неинтегральные значения коэффициентов теплоотдачи и плотности теплового потока с верхней и нижней поверхности продукта. Для каждого эксперимента снималась диаграмма распределения температуры по длине туннеля, позволяющая определить температуру газообразного азота на выходе из туннеля (ta3) и температуры среды, в которой находится продукт в любой момент времени (U). Азотная проточная система хладоснабження. На рис- 2.12 показаны кривые изменения, соответственно, температуры и плотности теплового потока для одного из проведенных экспериментов, а именно, при замораживании на противне картофеля, предварительно бланшированного при температуре 90 С, а затем охлажденного до 20 С, уложенного в один слой толщиной 0,008 м. Здесь же даны среднеинтегральные значения плотности теплового потока от верхней и нижней поверхностей замораживаемого продукта. На рис. 2.13 представлены значения среднеобъемнои температуры во времени при замораживании картофеля при варьируемых: толщине слоя продукта 5 = 0,008,,.,0,018) м; температуре отработанных паров азота 1дз = (-40; -50) С, Распределение среднеобъемнои температуры по зонам позволило определить время нахождения продукта в зоне предварительного охлаждения до достижения его среднеобъемнои температуры, равной криоскопической, в зоне орошения и выравнивания температуры по толщине продукта до минус 18 С, Продолжительность замораживания продукта определяли как по зонам, так и общую.
Термоэкономический анализ азотной проточной системы хладоснабжения
Предлагается три способа подачи воздуха в аппарат, с температурой на уровне-60,.,-120 С, с использованием: распределительного коллектора; специальных каналов (воздуховодов); наклонного решетчатого экрана. Принципиальные схемы аппарата СТАВ с различными способами подачи воздуха показаны на рис. 3.5 (а, б, в), где также указаны направления движения воздушных потоков внутри туннеля. При этом, следует отметить, что в первых двух вариантах необходимо наличие циркуляционных вентиляторов для создания направленного движения потока воздуха по длине туннеля, а также для обеспечения интенсивности и симметричности теплообмена между теплоотводящей средой и продуктом, В третьем варианте равномерность потока подаваемого воздуха достигается за счет его разделения на продольные составляющие с помощью специальных отверстий» предусмотренных в наклонном экране. Способ подачи низкотемпературного воздуха через распределительный коллектор (рис, 3.5 а). Данный вариант не предусматривает особых изменений в конструкции базового азотного туннельного скороморозильного аппарата (ACTA), за исключением того, что подача воздуха на распределительный коллектор (3) будет осуществляться не через форсунки, а через отверстия. Таким образом, обеспечивается универсальность рассмотренной модели скороморозильного аппарата, способного функционировать с использованием обоих хладоносителей (азота, низкотемпературного воздуха).
На базе двух модификаций аппаратов ACTA (АСТА-30, АСТА-250) воздушные аппараты СТАВ будут иметь следующие технические характеристики (табл. 3,8).
Основным рабочим параметром распределительного коллектора является расходная характеристика, с помощью которой рассчитывают необходимое количество распределительных патрубков, которое зависит от производительности аппарата. При расчете расходной характеристики коллектор разбивают на некоторое количество участков, для каждого из которых определяют местное сопротивление, а затем и общий напор подаваемого потока, который, в свою очередь, необходим для дальнейшего расчета и подбора циркуляционных вентиляторов- Более детально расчет распределительных коллекторов рассматривается в справочной литературе [35, 45]. Способ подачи низкотемпературного воздуха через специальные каналы (воздуховоды) (рис. 3.5 б). В данном случае подача низкотемпературного воздуха от турбо-холодильной машины осуществляется через специальный канал (1), предусмотренной в корпусе теплоизолированного короба со стороны выхода замороженной продукции. При этом для создания направленности входящего в аппарат воздуха необходимо наличие дополнительного бокового вентилятора (3), Отработавший воздух отводится через канал (2) со стороны загрузки продукта, также предусмотренного в корпусе аппарата. Высокая интенсивность теплопередачи между продуктом и теп-лоотводящей средой достигается путем турбулизации циркуляционными вентиляторами (4) движущегося потока воздуха, таким образом обеспечивающими равномерное и симметричное омывание продукта охлаждающей средой. Основным отличием такого аппарата от ранее рассмотренного заключается, главным образом, в отсутствие сложных в изготовлении распределительных устройств. Основу конструктивного расчета, методы которого представлены в справочной литературе [35, 45], в данном случае составляет расчет аэродинамических сопротивлений движению воздуха в туннеле и местных сопротивлений при его движении в каналах для подачи и отвода. По результатам расчета производится подбор вентиляторов. Способ подачи низкотемпературного воздуха с использованием наклонного решетчатого экрана (рис. 3.5 в\ Использование решетчатого экрана в скороморозильном туннельном аппарате вносит соответствующие изменения в его конструкцию.
Этот экран является своеобразной системой воздухораспределе-ния, которая обеспечивает равномерное распределение охлаждающей среды путем разбивания ее потока на пучки параллельных составляющих, при этом отпадает необходимость использования циркуляционных вентиляторов. На данный способ подачи низкотемпературного воздуха в аппарат подана заявка на патент (№ 2002131299, приложение 1),
Со стороны выхода продукта (13) монтируется патрубок (8) для подачи низкотемпературного воздуха от турбодетандерной машины, который оснащен расширительным каналом (9) для равномерного распределения воздуха в туннеле. Внутри туннеля над транспортером (2) жестко устанавливается съемный экран (10), с наклоном в сторону выгрузки (13) продукта. Экран выполняется из разъемных секций с отверстиями для создания потока воздуха и управления его параметрами. Со стороны входа (12) устанавливается устройство (11) для отсоса отработанного воздуха обратно в турбодетандерную установку.
Предлагается наклонный экран (10) выполнять из набора секций: первая секция в районе выгрузки продукта (рис. 3.7 а) — без отверстий» а остальные с отверстиями, количество которых зависит от длины туннеля (рис. 3.7 б, в, г, д). Секции выполняются из стальных нержавеющих листов толщиной 2 мм с различным количеством отверстий (п), отличающихся диаметром (d) и углом распыма ([3).
