автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электрокопчение при переработке мясных продуктов в крестьянских (фермерских) хозяйствах

На правах рукописи

РГБ ОД

3 А Ж И Г И Н

О/-) Г Г И

Василий Викторович ¿¿¿^ иен

ЭЛЕКТРОКОПЧЕНИЕ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ В КРЕСТЬЯНСКИХ (ФЕРМЕРСКИХ) ХОЗЯЙСТВАХ

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1999 г.

Работа выполнена на кафедре Электроснабжение сельского хозяйства Московского государственного агроинженерного университета имени В.П.Горячкина.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, професс Т.Б.Лещинская

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, професс академик РАСХН И.Ф.Бородин.

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техгат

РФ, доктор технических наук, профес сор В.И.Тарушкин

- кандидат технических наук, доцент В.К.Андреев

Ведущее предприятие - ВИЭСХ

Защита состоится " "__и/оня._____1995 г.

в часов на заседании диссертационного совета К 120.12.02.

Московского государственного агроинженерного университета имени В.П.Горячкина по адресу: 127550, г.Москва, И-550, ул. Тимирязевская, д. 58

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАУ Автореферат разослан " 21 " ^ал.___1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических

наук, профессор А.П.Фоменков

А аоп к:А О

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сельское хозяйство является основным производителем продуктов питания, а также сырья для перерабатывающей отрасли, выпускающей продукты питания. От качества и количества продуктов, разнообразия их ассортимента зависит здоровье, работоспособность и общее состояние человека.

Переход России к рыночной экономике кардинально изменил подход к разработке оборудования для сельскохозяйственных производителей. Промышленность настроена на рыпуск крупного оборудования и удовлетворяет потребность только крупных переработчиков мясной продукции. В настоящее время это создает много проблем для единичных производителей (фермеров); в условиях рыночной экономики выживают только те производители, которые сумели наладить на месте переработку продукции сельского хозяйства.

Ученые всего мира осуществляют поиск новых , более современных технологий обработки сельскохозяйственной продукции. Значительное место среди технологий обработки занимают электротехнологии. Так, например, копчение мясных и рыбных про- . дуктов в электростатическом поле, электросепарация семян, сушка зерна и других сельскохозяйственных продуктов в электрическом поле высокой частоты.

В свете вышеизложенного особую актуальность приобретает применение электронно-ионной технологии для обработки мясных продуктов способом копчения, которая позволяет фермеру за сравнительно небольшой промежуток времени 5-? мин. обработать мясной продукт (без учета времени на проварку и подсушку) и выпустить на рынок качественный товар.

Среди российских ученых, внесших значительный вклад в разработку и исследование новых технологий обработки сельскохозяйственной продукции, следует указать Бородина И.Ф., Та-рушкина В.И., Косицина O.A., Рудобашту С.П., Живописцева E.H., Изакова Ф.Я., Савушкина A.B., Ерошенко Г.П., В-огова И.А., Курко В.И., а теоретическим исследованиям поля коронного разряда посвящены работы Верещагина И.П., Мирзабекяна Г.З., Леви-това В.И., Сергеева Ю.Г. и др.

Цель работы. Разработка теоретических положений и создание новой установки для копчения мясных продуктов в коллективных (фермерских) хозяйствах, обеспечивающей эффективную обработку продукта в поле униполярного коронного разряда.

Объектом исследования является технология копчения мясных продуктов; поле коронного разряда; процесс зарядки частиц коптильного дыма (аэрозоля); процесс дымообразования; разработанная электрокоптильная установка ЭКУ-10.

Изложенная выше цель работы определила задачи исследования;

- анализ существующих способов копчения и установок, применяемых для обработки мясных продуктов;

- разработка технологии копчения мяса в ЭКУ-10 фермерского хозяйства;

- теоретическое исследование процесса зарядки и осаждения на поверхность продукта частиц коптильного дыма (аэрозоля) и движения их в поле униполярного коронного разряда в системе электродов "ряд проводов между плоскостями;

- обоснование метода расчета поля коронного разряда и проведение расчетов на его основе;

- теоретические и экспериментальные исследования процесса образования коптильного дыма (как источника аэрозоля);

- разработка электрокоптильной установки холодного и горячего способа копчения, реализующей предложенную электротехнологию 'копчения во внешней области униполярного коронного разряда);

- теоретическое исследование кривой видового распределения электрокоптильных установок;

- создание новой шкалы типоразмеров электрокоптильных установок по переработке мясной продукции для фермеров;

- обоснование расчетов генератора дыма и коптильног- камеры установки ЙК*-Ю.

Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на применении методов теории электрического поля, видового распределения, стандартизации, теории математической статистики, оптической физики, теории электронно-ионной технологии, теории микробиологии мясных продуктов и др.

Научная новизна:

1. Разработана новая технология электрокопчения мясных продуктов во внешней области униполярного коронного разряда.

2. Разработана новая конструкция ЭКУ для горячего и холодного способов копчения.

3. Адаптирован метод Дейча-Попкова для расчета электрического поля системы корон^мрующих электродов "ряд проводов между плоскостями".

4. Предложена модель частиц коптильного дыма в виде эквивалентного эллипсоида для описания процесса зарядки частиц и организации их упорядоченного движения.

5. Применена кривая видового распределения для обоснования шкалы типоразмеров электрокоптильных установок, предназначенных для фермерских хозяйств.

Практическая ценность

Разработанные в диссертации электротехнологии копчения мясных продуктов позволили создать электрокоптильную установку ЭКУ-10, адаптировать метод Дейча-Попкова для расчета поля коронного разряда, дать классификацию этапов тления древесины при образовании коптильного дыма, организовать упорядоченное движение частиц коптильного дыма (аэрозоля) под действием сил электрического поля в системе электродов "ряд проводов мезду плоскостями", получить шкалу типоразмерного ряда ЭКУ.

С помощью электронно-ионноГ- технологии, применяемой для обработки мясных продуктов, возможно решение следующих задач:

- сокращение времени обработки мясных продуктов;

- сокращение расхода электрической энергии и древесины для образования коптильного дыма;

- разработанная конструкция коптильной камеры и генератора ды-' ма обеспечивает герметичны" процесс копчения и дкмообразова

ния, что позволяет улавливать выброс отработанной дымовоз-душной смеси;

- полученная шкала типоразмерного ряда ЭКУ по производительности может служить обоснованием для создания таких установок серийно.

Реализация результатов работы Предложенная технология копчения и установка ЭКУ-1Х внедрены и используются для копчения мясных продуктов в Открытом акционерном обществе - колбасный завод "Отрадное" с экономическим эффектом 3 тыс,руб. в год от одной установки (в ценах 1998 года).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-методическом семинаре энергетического факультета МГЛУ им. В.П.Горячкина (в 1997 г.) и на конференции посвященной памяти академика В.П.Горячкина (в 1998 г.).

На защиту выносится:

1. Электронно-ионная технология копчения мясных продуктов.

2. Применение теории процесса осаждения частиц коптильного дыма (аэрозоля) в коптильной камере.

3. Адаптированный метод Дейча-Попкова для расчета электрическо го поля в системе электродов "ряд проводов между плоскостями" .

4. Характеристики параметров электрического копчения (температурные режимы дамообразования, критерии прокопченноета, концентрация веществ коптильного дыма, расстояние между коро-нирующими электродами и т.д.).

5. Конструкция электрокоптильной установки ЭКУ-10.

6. Применение конструкции системы коронирующих электродов.

7. Шкала типоразмеров коптильных установок для фермерских хозяйств.

8. Температурные режимы образования коптильного дыма.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она содержит У62. страниц текста, включающего 37 рисунков, 31 таблиц, списка литературы из 143 наименований и I приложения.

Содержание работы Во ведении дан анализ состояния фермерского движения на современном этапе развития общества, обоснована актуальность теш диссертации,сформулирована научная новизна и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию элект-

ронно-ионно* технологии копчения мясноГ- продукции, процессу зарядки частиц коптильного дыма и упорядоченному их движению в области униполярного коронного разряда. Применен метод ДеГг-ча-Иопкова для расчета системы электродов "ряд проводов между плоскостями" основанный на предположении о неизменности конфигурации силовых линиг поля.

Выбранная система коронирующик электродов позволяет повысить интенсивность ионизации при отрицательном коронном разряде. Преимущество отрицательной короны - в более высокой подвижности ионов.

В соответствии с применяемым методом произведен расчет выбранной системы электродов с исходными данными: радиус кривизны коронирующего электрода - 0,15*10-2м; расстояние между коронирующим и осадительным электродом ^ /1 = 20'10-2м;

диаметра дрический.

коронирующего провод*

провод) V -70*10 ОС.

В.

аС ■-- 18* 10'м (выбран цилин-

Рис. I. Система электродов "ряд проводов между плоскостями" а - расчетная точка (Х--0; У-0,09 м)

Начальная напряженность согласно формуле Пика Е -53,6*10^ В/м: расчет проводится для нормальных атмосферных условий Р~ -1,013*10° Па и Т---293 К . .

Подвижность ионов в данной системе составляет <£ =-1,8'10^ м2/В*с

Начальное напряжение коронного разряда 2^^51,7*10^ В.

Ток коронного разряда А = 1,24*10 А/м-,

Плотность тока по поверхности короннирующего электрода ^'О=1,7*10-2 А/м2.

Напряженность поля коронного разряда Е2=6,П*10® В/м.

Плотность объемного заряда /> =1,2* Ю~5 Кл/м3.

На рисунке 2 представлена вольтамперная характеристика промежутка системы электродов "ряд проводов между плоскостями"

1Г

О 10 2С> 30 Чо яо бо 70 1033 Рис. 2. Вольт-амперная характеристика системы электродов На рис. 3 представлены распределения ^ и уО на центральной силовой линии Х=0 для расчетного примера

/ л1

6-

ю'А

А

4

У

о 1 2. 3 Ч 5 б 7 в 9 /О 11 12. 13 11 /О % Рис.. 3. Зависимость напряженности и плотности объемного заря-дя от расстояния между коронирующими электродами

Кроме перечисленные показателей исследовано влияние обратной короны на движение частиц дыма в зоне объемного заряда, а также представлена модель обратной короны. Проведена оценка влияния электрического ветра,возникающего при коронном разряде, обоснованы пробивные напряжения для выбранной системы электродов.

Рассмотрены свойства аэрозольной среды коптильного дыма как дисперсной, состоящей из частиц с диапазоном размеров от 0,001 до 100 мк.

Вторая глава посвящена исследованию основных параметров процесса электрокопчения. Проведен эксперимент по исследованию термического разложения древесины с ограниченным доступом кис-

порода в зону горения. Анализ результатов эксперимента позволил условно разделить процесс тления на стадии и установить

температурные режимы дымообразования. I ЮО°С\ 1501Л300 У -- 3?5°С\-/50'С_

1 Л Ш [V У VI Щ Щ IX X

ТЕПЛО

Рис. 4. Схема тления образца древесины при обаразовании коптильного дыма (аэрозоля).

Проведен анализ влияния различных пород дерева на качественный состав коптильного дыма. Дым как основное средство обработки мясных продуктов обладает антиокислительным, бактерицидным и окрашивающим эффектом.

В диссертации основным критерием прокопченности мясных продуктов выбрана концентрация фенолов на поверхности продукта, выраженная через оптическую плотность дыма. Количество веществ коптильного дыма продиффундированных в глубь продукта определяется по уравнению

где К - константа Траубе, К --Ц*!^ , ]) - коэффициент диффузии; С - концентрация; р - площадь диффузии; С^ и С^ -процентная концентрация диффузированных веществ на поверхности и внутри продукта; Г - средняя толщина продукта; -средний путь диффузии; о? - продолжительность диффузии; Сг ~ процентное содержание жира в продукте.

Контроль плотности дыма осуществляется фотоэлектрическим методом. Прибор контроля состоит из осветителя, светочувствительного приемника, усилителя сигналаспоказывающим прибором.

В третье- главе приведена разработанная конструкция эле-ктрокоптильно* установки СКУ-Ю, эскиз которой приведен на рис 5.

№

3

6

\

V

а)

Ч

^ 7) ^

220У

к системе коронирующих "Электродов

Рис. Ь. Эскиз ЗКУ-10.

а) генератор дыма; б) коптильная камера; в) источник высокого напряжения; I - запальное устройство; 2 - поддон с гидрозатвором; 3 - система коронирующих электродов; 4 - коронирующий электрод; 5 - осадительный электрод; б - штуцер подачи свежего воздуха; 7 - штуцер подачи коптильного дыма; 8 - штуцер отвода рабочем смеси.

Установка ЗНУ-10 предназначена для холодного и горячего способа копчения мясных изделиГ:, имеет следующие характеристики: разовая загрузка продукта - 10 кг, продолжительность копчения с проваркой и сушкой 40..60 мин., установленная мощность 1,7 кВт, габаритные размеры генератора дыма 40x40x40 см, коптильной камеры 40x40x65 см, масса 40 кг. Корпус генератора дыма и коптильной камеры выполнен из нержавеющей стали марки 08x1811 и 08х18Н10Т ГОСТ 5582-75.

Установка ЭКУ-10 работает следующим образом. Коптильный дым, получаемый в генераторе дыма (А) (рис. посредством естественной тяги, проходя через систему подачи рабочей смеси, попадает в коптильную камеру (б) снизу. Проходя через систему коронирующих электродов дым ионизируется, и под действием сил электрического поля частицы дыма перемещаются к осадительному электроду.

По равергаению процесса копчения, который длиться 5..7 мин

(без учета времени на подсушку и проварку продукта), отработанная дымовоздушная смесь удаляется.

В диссертации проведен технологический расчет генератора дыма и коптильной камеры.

В работе разработаны правила технической эксплуатации и электробезопасности ЭКУ-Ю.в условиях фермерского хозяйства в соответствии с ПТБ, ПТЭ и ПУЗ.

Четвертая глава посвящена анализу типоразмерного ряда выпускаемых промышленостью установок и построению кривой видового распределения по производительности. Полученная кривая видового распределения приведена на рис. б.

Рис. 6. Кривая видового распределения коптильных установок по производительности. В диссертации приведена статическая функция распределения ЭКУ рис. 7 по производительности, полученная на основании рынка выпускаемого оборудования

Рис. 7. Статистическая функция распределения ЗКУ по производительности

I - выпускаемые ЭКУ; 2 - апроксимация по уравнению. Полученная функция (1)(рис. 7) апроксимирована уравнением по методу наименьших квадратов

где Kj - коэффициенты функции, П - производительность установки

Возможным ряд типоразмеров коптильных установок построен по шкале геометрической прогрессии, применяемо? в стандартизации электрооборудования. Знаменатель геометрической прогрессии для ряда ЗКУ оказался равным"VIO - 1,6. Предлагаемая шкала типоразмеров коптильных установок будет иметь вид 10, 16, 25, 40, 64, 100 кг.

Преимущества разработанной установки ЭКУ-10 состоят в следующем:

- сокращается время обработки продукта в 10-12 раз;

- расход электроэнергии и расход древесины для образования коптильного дыма примерно в 2 раза по сравнению с существующими способами меньше;

- экологическая безопасность обеспечена очистко? отработанно-дымовоздушно" смеси;

- размер установки, ее производительность удовлятворяет требованиям фермерского хозяйства;

- простота конструкции и удобство эксплуатации.

Результаты работы и общие выводы

X. в настоящее время возникла острая необходимость в создании оборудования для переработки с.х. продукции в крестьянских (фермерских) хозяйствах. Промышленность выпускает крупное оборудование, неудовлетворяющее требования'ыфермеров. Сдавая сырье на перерабатывающие комбинаты фермер теряет часть прибыли от переработки.

Созданная электрокоптильная установка для обработки мясных позволит производителю качественно переработать продукты животноводства и удовлетворить потребности населения.

2. Предложена электронно-ионная технология обработки мясных продуктов способом копчения, суть которой состоит в следующем. Для организации процесса копчения коптильный дым (аэрозоль) направляется в область коронного разряда, во внешней области которого происходит интенсивная ионизация частиц дыма. Под действием сил электрического поля частицы коптильного дыма осаждаются на повержости продукта и оказывают антибактериальное, антиокислительное и окрашивающее действие.

3. Разработан и создан опытный образец электрокоптильной установки ЭКУ-10 производительностью 10 кг за технологический цикл согласно предлагаемой технологии обработки. ЭКУ-10 состоит из генератора дыма, коптильной камеры, источника высокого напряжения, защитной аппаратуры.

Проведен технологический расчет генератора дыма и коптильной камеры для голодного и горячего способа копчения, который позволяет определить расход воздуха для дымообразова-чия, расход электрической энергии на генерацию I кг древесины и т.д.

ЭДля коптильной камеры ЭКУ-10 выбрана и обоснована система коронирующих электродов "ряд проводов между плоскостями" в качестве коронирующиго электрода выбран цилиндрический проЕод, а осадительного - металлическая пластина.

4. Конструктивные особенности созданной коптильной установки ЭКУ-10 следующие: корпус выполнен из нержавеюще" стали марки 08X1811 к 08X102 ГОСТ 5582-75,колпакового типа с гидрозатвором. В ЭКУ-10 предусмотрено два способа копчения: холодное и горячее. При горячем способе образование коптильного дыма происходит непосредственно в коптильной камере, а при холодном - отдельно в генераторе дыма, вынесенном за пределы камеры. В генераторе дыма предусмотрена сшгема подачи свежего воздуха и отвода коптильного дыма под действием естественной тяги.

5. Исследования процесса термического разложения древесины различных пород древесины показали, что интенсивное образование коптильного дыма наступает при температуре от 210°С до 300°С; конкретно для дуба - 275°С, для ольхи - 250°С, для березы - 235°С и т.д.

Дана классификация этапов тления древесины в зависимости от температуры дымообразования.

6. Обосновано применение метода ; Дейча-Попкова для расчета системы коронирующих электродов применяемых при электрокопчении. Метод базируется на допущении о неизменности конфигурации силовых лини" поля при коронном разряде.

7. Получен ряд типоразмеров коптильных установок на основе видового распределения и метода оптимизации шкалы оборудования, применяемого в стандартизации.

8. Разработанная ЭКУ-Ю внедрена и используется в открытом акционерном обществе - колбасный завод "Отрадное" с зкономичес ким эффектом 3 тыс.руб. в год на одну установку в ценах 1998 года.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Лещинская Т.Б., Зажигин В.В. Технология и режимы обработки мясных продуктов в электрическом поле. Сборник научных трудов МГЛУ, 1996 г., с. 75-80.

2. Лещинская Т.В., Зажигин В.В, Электронно-ионная техноло гия копчения при переработке с.х. продукции. Научно-технический семинар. Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления ЛПК. - М.,: МГЛУ, 1997 г., с. Ь-7.

3. Лещинская Т.Б., Зажигин В.В. Контроль оптической плотности дыма при копчении с.х. продукции в электрическом поле, международная научно-практическая конференция, посвященная памяти академика В.П.Горячкина. м.: Изд-во мГдУ, 1998 г., с. '¿г0

4. Бородин И.®., Лещинская Т.К., Зажигин В.В. Использование коронного разряда для переработки с.х. продукции способом копчения. Труды МГАУ, 1998 г., с. 5.(в печат^;

5. Бородин И.Ф., Лещинская Т.Б. Зажигин В.В.термический распад древесины при образовании коптильного дыма. Труды М1'АУ, 1998 г., с. 3(в печати).

6. лещинская Т.Б., Зажигин в.в. Расчет поля коронного раз ряда игольчатой системы электродов электрокоптильной установки Труды МГАУ, 1998 г., с. 4(в печат^.