автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.14, диссертация на тему:Интенсификация технологии гидроаэрозольного охлаждения птицы

На правах рукописи

Р1Ч? ОД

2 4 2000

Крупененков Николай Федорович Ш ГПЗ1СИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЩЦГОЛЭРСШЛЬНОГО ОХЛАВД2ШЯ ПТИЦЫ

Специальность 05.18.14 - Холодильная технология пищевых продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учбной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Кулакова В.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Николаев Л.К. кандидат технических наук Третьяков Н.А.

Ведущее предприятие: Ломоносовская птицефабрика Защита состоится." У" ^¿^/-ъР 2000 г. в / /^час<

часов

на заседании диссертационного совета (шифр К 063.02.02) при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул.ЛомоносоваДСПбГУН и ПТ, Ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Колодязная В.С.

А С)9\ П

ОБ1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ТЫ

Актуальность темы. Потребности страны п качественных мясных продую ах питания требуют дальнейшего развития передовых технологий в отечественной мясоперерабатывающей промышленности. Одной из наиболее массовых отраслей этой промышленности является производство куриного мяса. Немаловажной составляющей этой производственной цепи является охлаждение тушек птицы, которое должно осуществляться после забоя. Па большинстве предприятий птицеперерабатывающей промышленности до недавнего времени охлаждение тушек производилось водяным погружным методом, который позволяет достичь наибольшей производительности линий по убою птицы. Однако данный метод уже давно не отвечает мировым стандартам по качеству готовой продукции. Например, .в странах Европейского Общего Рынка этот способ уже более 20 лет как запрещен к применению, поскольку он может приводить к перекрёстному обсеменению 7ушек патогенной микрофлорой. В последнее время у пас в стране этот факт тоже начинает осознаваться, в связи с чем отечественные предприятия начинают переходить на воздушный способ охлаждения.

Однако для мировой практики воздушный способ также уже не считается оптимальным и па смену ему приходит новый, гидроаэрозольно-испарительпый способ, суть которого заключается в чередовании обдува тушек холодным воздухом с орошением их водой. Ошт способ позволяет совместить преимущества водяною и воздушного методов охлаждения. Действительно, с одной стороны, из-за периодического орошения тушек водой темп охлаждения по сравнению с чисто воздушным способом увеличивается за счет испарения напыленной влаги, также не происходит усушки продукта. С другой стороны, за счет обдува тушек воздухом они практически не поглощают воду; кроме того расход питьевой воды значительно ниже, чем при чисто водяном охлаждении. Также при использовании данного способа охлаждения при подготовке тушек к последующему замораживанию, уменьшаются потери сока при размораживании по сравнению с водяным способом охлаждения. Поэтому нам представляется целесообразным переходить от водяного способа охлаждения непосредственно к гидроаэрозолыю-испа-рителыюму, как наиболее прогрессивному на данный момент. Однако, для полной реализации преимуществ гидроаэрозолыю-испарителыюго способа охлаждения тушек птицы, необходима разработка рациональной технологии и соот-.

ветствующего аппаратного оформления, которые должны опираться на надёжную теорию данного метода охлаждения

Поэтому создание теоретического обоснования технологии гидроаэрозольно-испарительного метода и, на его основе, методов инженерного расчёта соответствующих систем охлаждения, представляется в настоящее время достаточно актуальной проблемой.

Цель и задачи исследования. Настоящая работа посвящена разработке основных принципов определения параметров процесса гидроаэрозольно-испаритель-ного охлаждения тушек птицы после забоя (Тц.г и ; Тп ; Мел.; Твшд ), позволяющих реализовать преимущества предлагаемого метода. Разработать алгеритмы расчета технологических параметров охлаждения и соответствующее аппаратное обеспечение. Предлоупъ к применению иг предприятиях технологическую схему гидроаэрозолыю- испарительного охлаждения тушек птицы, обеспечивающую требуемые стандартом параметры.

Научная постна работы. Предложена методика расч&га продолжительности охлаждения тел произвольной формы (при постоянном коэффициенте теплоотдачи), не требующая введения эмпирических параметров (например коэффициента формы в теории регулярного теплового режима), а основывающаяся на теоретических соотношениях. ,

Представлен алгоритм расч&га продолжительности гидроаэрозольно-испари-телъного охлаждения для тел простой (бесконечные пластина и цилиндр и шар) и сложной формы, считывающий изменение "влажного" коэффициента теплоотдачи в виде, допускающем прямую реализацию на компьютере.

Определены основные принципы организации процесса гндроаэрозолыю-испарителыюго охлаждения тушек птицы, позволяющие максимально использовать преимущества этого метода, по предложенным численным алгоритмам расчета этих параметров.

Практическая ценность работы. Разработана технология гидроаэрозолыю-нспиршельного охлаждения тушек птицы. Предложено использование двух тем-■ ператур кипения холодильного агента (температур хладоносителя) с применением автоматического регулирования в одном аппарате охлаждение. Разработка технологической линии производилась совместно с АОЗТ "НОРД-ИС" РИЛ в рамках федеральной программы "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК". Рекомендации по применению указанного метода охлаждения использованы на Ломоносовской птицефабрике.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались автором на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУН и Г1Т (2000г). Работа выполнялась в рамках федеральной программы "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК".

Публикации. Соискателем опубликовано по теме диссертации 4 работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, списка литературы и приложений. Изложена на 75 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 27 таблиц, 2 приложения, список литературы - 75 пунктов.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ТУШЕК ПТИЦЫ

Определение продолжительности гидроа~>розолыю-испарительпого охлаждения тушек птицы до требуемой ГОСТом средиеобъбмной температуры 4 °С представляет собой весьма непростую задачу. Её сложность связана с двумя обстоя I сльствами:

1. Тушка курицы представляет собой тело сложной формы, которое не может бы и» с достаточной степенью точности апроксимировано ни одним из тел простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, шар) или их комби нации (бесконечный прямоугольный брус, параллелепипед, конечный цилиндр), для которых имеется точное решение задачи их охлаждения.

2. При гидроаэрозольно-испарителыгом охлаждении вследствие понижения температуры поверхности тушки в ходе процесса уменьшается и интенсивность испарения влаги с поверхности, а, следовательно, и "влажный" коэффициент теплоотдачи. Существующие же решения задачи об охлаждении получены в предположении неизменности этого коэффициента.

Таким образом, соответственно этим двум обстоятельствам, мы имеем перед собой три задачи:

1. Разработать метод расчёта продолжительности охлаждения тел произвольной формы при постоянном коэффициенте теплоотдачи.

2. Разработать метод расчета продолжительности охлаждения тел простой формы при переменном коэффициетгге теплоотдачи, зависящем от температуры поверхности тела.

3. На основе объединения решений первых двух задач разработать метод расч&га

нродолжительности охлаждения тел произвольной формы при переменном коэффициенте теплоотдачи.

Кроме расчета продолжительности охлаждения, необходимо также умение рассчитывать массу испарившейся воды, как функцию времени, прошедшего с начала процесса. Действительно, чтобы, с одной стороны, не допустить усушки тушки, а, с другой стороны, не расходовать лишнюю питьевую воду, необходимо напылять на тушку новую порцию воды именно в тот момент, когда полностью испарилась предыдущая порция. Но для этого необходимо знать, когда наступит этот момент.

Попытки решения первой из вышеупомянутых задач посредством применения уравнений теории регулярного теплового режима к охлаждению тушек птицы наталкиваются на серьезное затруднение: эти уравнения содержат параметр (называемый коэффициентом формы), который может быть определен (для тела сложной формы) только экспериментально. Для тел же простой формы этот параметр может быть определен как К = R2/ ЗВ(оо), где R - характерный размер тела (для пластины - половина толщины, для цилиндра и шара - радиус), а ЗВ(со)-квадрат первого корня характеристического уравнения при бесконечном коэффициенте теплоотдачи.

Нами предлагается следующая аппроксимирующая формула:

ае. , ы (1)

+ (0,664+Q,\(A-Bi)-Bl-Фш

где Ф = V/SR, безразмерное; V - объем тела, м 53 0; S - площадь его поверхности, м2; R - характерный размер тела, понимаемый для тела произвольной формы как расстояние от поверхности до наиболее удаленной от нее точки тела, для тушки курицы - толщина грудной мышцы, м; Bi = aRFk - число Био, безразмерное; а-коэффициент теплоотдачи с поверхности тела, Вт/(м2 К); X. - коэффициент теплопроводности тушки. Расчеты показывают, что для тел простой формы (1) отличается от точных значений не более, чем на 1,5 %.

Формула (1) позволяет определить темп охлаждения тушки m (с"1) как m = а ЭВ / R2. Таким образом, мы можем определить темп охлаждения тушки, а, следовательно, и время охлаждения, чисто теоретически, зная только простейшие геометрические параметры тушек

С целью проверки этой теории проводились эксперименты по "сухому" воздушному охлаждению тушек курицы массой 1-1,4 кг. Тушки, предвари-

тельно выдержанные длительное время в сушильном шкафу при температуре

32...40 0С, обдувались воздухом с температурой 1,^= - 0,5...-7,5 °С и скоростью V = 2...3.5 м/с.

Сухой коэффициент теплоотдачи рассчитывался с помощью известных эмпирических соотношений для обдувания тел простой формы (расчёты показали, что использование формул для обдувания пластины, цилиндра и шара посредством уподобления тушки этим телам, дают практически одинаковые результаты). Тела подвешивались на весах, что позволяло измерять массу испарившейся воды. Измерение температуры производилось термопарой в центре грудной мышцы и на поверхности (под кожей) тушки. Эксперименты показали ( рис. 1 ), что расчётные данные согласуются с экспериментальными в пределах 10 % погрешности.

Задача определения продолжительности охлавдения однородных тел простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, шар), может быть явно решена в случае неизменных внешних условий, то есть температуры окружающей среды и коэффициента теплоотдачи. Решение представляется в виде хороню известных в математической физике бесконечных рядов.

В случае охлаждения тела, с поверхности которого испаряется влага, эти формулы, строго говоря, неприменимы, так как "влажный" коэффициент теплоотдачи (то есть учитывающий как конвективную составляющую, так и охлажден t за счет испарения) зависит от температуры поверхности, а, следовательно, меняется в ходе процесса.

Нами предлагается следующий алгоритм расчета. Вначале, на основе уравнения теплового баланса, пишется уравнение, связывающее "сухой" о^>х и "влажный" ov, коэффициенты теплоотдачи:

а»л (tnoB - tcp) = CLcyx (W - top) + P (Xno, -X„) r, (2)

где t^ - температура окружающей тушку среды (воздуха), 0 С; t„OB - температура поверхности тушки, 0 С ; Хпов и Хта - абсолютные влагосодержания воздуха соответственно непосредственно у поверхности тела и в ядре омывающего потока, кг/м3; р - коэффициент массоотдачи, кг/м2 с; г = 2,3-106 Дж/кг-удельная теплота парообразования воды. Для определения коэффицие1гга массоотдачи можно воспользоваться классическим соотношением Льюиса, выражающим р через ос^ух, а для определения Хяов и Хм - формулой Филоненко, выража-

ющей их через соответствующие температуры. Для потери влаги с поверхности тела ДМ за время Дт можно записать:

ДМ = в • Дх • р • (Хпо, - Хм). (3)

Далее выбирается шаг по времени Дх и производится численное интегрирование днф<]>еренциалыюй формы классических соотношений для остывания тел простой формы с пересчетом коэффициента теплоотдачи на каждом шаге посредством соотношения (2). Одновременно производится численное интегрирование соотношения (3), что дабт нам массу испарившейся воды за время охлаждения М.

Для проверки вышеизложенной теории была проведена серия экспериментов на модельных телах из геля агар-агара с 23 % сухого вещества: пластина толщиной 0,02 м, шириной 0,1 м и длиной 0,1 м; цилиндр радиусом 0,02 м и шар радиусом 0,042 м. Эксперименты проводились как для сухих тел, так и для тел, орошаемых водой посредством пневматической форсунки. Измерение температуры производилось для шара в полуцентре, для цилиндра н пластины - в центре. Экспериментальные данные совпадают с теорией в пределах погрешности по времени не превышающей 10 %.

И наконец, объединяя результаты для "сухого" охлаждения тел произвольной формы и "влажного" охлаждения тел простой формы, мы предлагаем алгоритм расчета продолжительности гидроаэрозолыю-испарительного охлаждения тел произвольной формы:

1. Выбираем шаг по времени Дх, "влажный" коэффициент теплоотдачи рассчитывается по (2), принимая .

2. По формуле (1) рассчитывается темп охлаждения т.

3. Определяется новое значение I ^ .

4. Из уравнения теплового баланса (2) рассчитывается новое значение 1П0>.

5. По формуле (3) определяется масса испарившейся влаги ДМ.

6. По новому значению I по* рассчитывается новое значение коэффициента теплоотдачи.

7. И т.д.

Пункты 1-7 необходимо повторять до тех пор, пока среднеобъёмная температура не достигнет искомых 4 °С. Для проверки вышеизложенной теории была проведена серия экспериментов по гидроаэрозольно-испарительному охлаждению тушек курицы. Для эксперимента использовались те же тушки, на

которых проводились эксперименты по "сухому" охлаждению. Параметры эксперимента (температура н скорость воздуха, начальная температура тушки) поддерживались точно такими же, как и при "сухом" охлаждении. !>го позволило непосредственно сравнить "сухой" и "влажный" способы. В процессе эксперимента влага напылялась на тушки посредством двух пневматических форсунок, одна напротив другой, которые создавали закрученный

вихрь вокруг тушки, благодаря чему поверхность тушки смачивалась водой за 5 - 7 с. Влага напылялась на тушку в соответствии с необходимостью постоянного нахождения на поверхности свободной влага.

Результаты экспериментов (рис. 1) показали, что, во-первых, время охлаждения тушки без напыления влаги примерно в 1,5 раза больше, чем при напылении, н, во-вторых, расчетное время совпадает с экспериментальным в пределах 10 % погрешности.

Также проводился сравнительный биохимический анализ сточных вод при

водяном и шдроаэрозольно-нспарителыюм охлаждениях на наличие растворимых белков оптическим методом. Эксперименты показали, что при шдроаэрозольно-нспарителыюм методе концентрация растворимых белков в сточных водах составляет 0,64 мкг/мл.

При водяном же способе охлаждения она составляла 75 мкг/мл. Таким образом, при водяном способе охлаждения концентрация вымываемого растворимого белка в сточных водах примерно в 100 раз больше, чем при гндроаэрозольно-испарнтелымм способе. Если учесть к тому же, что расход воды при водяном охлаждении в бассейне в сотни раз выше, чем при гидроаэрозольно-испарителъ-ном методе, то по сравнению с водяным методом, при гидроаэрозольно-испари-тельном охлаждении практически вообще не происходит потерь растворимых белков.

Необходимо отметить также, что с точки зрения товарного вида тушки, охлаждённые посредством тдроаэрозольно-нспарителыюго метода, практически ннчем не отличались от тушек, охлаждённых посредством водяного метода (исчезал красноватый оттенок кожи, образованный в результате ошпарки, тушки приобретали ровный белый цвет и округлую форму и т.д.).

МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЁТА АППАРАТА ДЛЯ ГИДРОАЭРОЗОЛЫ10- ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТУШЕК ПТИЦЫ

Как уже было отмечено, для полной реализации преимуществ гидроаэрозоль-но-нспарнтелыюго метода охлаждения необходим правильный выбор параметров процесса. Во-первых, чтобы исключить как чрезмерное увлажнение тушки, так и её усушку, необходимо, чтобы масса напылённой на тушку влаги приблизительно равнялась массе испарившейся с поверхности влаги. Во-вторых, для увеличения темпа охлаждения за счёт испарения необходимо, чтобы на поверхности продукта постоянно имелась свободная влага. В третьих, с целью экономии питьевой воды и предотвращения вымывания полезных веществ из тушек желательно, чтобы по возможности вся распылённая влага оставалась на поверхности тушек, а не стекала с них.

Кроме всего вышеперечисленного, необходимо принимать во внимание возможность зарастания инеем испарителя воздухоохладителя, так как при интенсивном испарении влага с поверхности продукта воздух насыщается ею. Это может привести к необходимости частых оттаск воздухоохладителя, что резко снижает производительность линии охлаждения. С другой стороны, повышение температуры охлаждающего воздуха до 2 - 4 °С, хотя и позволяет снять проблему ледяной шубы на испарителе воздухоохладителя, приводит к резкому увеличению продолжительности охлаждения, так как, согласно требованиям ГОСТ, средне-объёмная температура тушек по окончании охлаждения не должна превышать 4 °С. Однако чрезмерное понижение температуры охлаждающего воздуха также опасно, так как может привести к подмораживанию поверхности продукта и, следовательно, к ухудшению его качества.

Выбор параметров процесса охлаждения можно считать оптимальным только в том случае, когда он учитывает все вышеперечисленные обстоятельства. Мы предлагаем следующие рекомендации.

1. Орошение водой происходит в течение 5 - 7 с, при этом масса напылённой влаги составляет 5 - 10 г на тушку (в зависимости от её размеров). Более длительное орошение нецелесообразно, так как влага начинает стекать с поверхности продукта.

2. Обдув тушки холодным воздухом производится до полного испарения напылённой влаги. Поскольку с каждым последующим этапом "напыление - обдув" температура поверхности тушек уменьшается и влага испаряется медленнее, то

продолжительность обдува увеличивается от этапа к этану. Изложенная в предыдущем разделе теория позволяет рассчитать продолжительность каждого этапа.

3. На каждом этапе, кроме последнего, температура воздуха составляет 2-4 °С; на последнем же эгане -А...-1 °С. Использование на первых этапах, когда идет интенсивное испарение влаги с поверхности тушек, температуры охлаждающего воздуха 2-4 °С позволяет избежать ипееобразования на испарителе воздухоохладителя, в то время как еще достаючно высокая температура продукта обеспечивает высокий темп охлаждения. Использование же температуры воздуха -4...-

7 °С на последнем этапе позволяет достигнуть и здесь высокого темпа охлаждения, в то время как низкая температура поверхности тушек на этом этапе приводит к незначительному испарению влаги, и, следовательно, к низкому инееобра-зованию на поверхности испарителя воздухоохладителя. Кроме того, при такой температуре воздуха не происходит подмораживания влаги на поверхности продукта, что подтверждается как расчетами, так и экспериментом.

4. Для охлаждения тушек до требуемой срсдпеобьбмной температуры 4 °С требуется 3-4 этапа "напыление - обдув" общей продолжительностью

35 - 70 мин в зависимости от размеров тушки. При чисто воздушном охлаждении при тех же параметрах процесса необходимое время охлаждения оказывается примерно в полтора раза больше.

Приведем несколько примеров. На охлаждение подают тушки курицы с начальной температурой 32 °С. Скорость воздуха 3 м/с, температура на начальных этапах 2-4 °С, на последнем этапе -6 °С.Для тушек массой 1 кг масса напыленной влаги за 1 цикл орошения составляет 6 г, для охлаждения требуются 3 цикла продолжигельпостями 8, 11 и 20 мин, общая продолжительность процесса 40 мин. Для тушек массой 1,4 кг масса напыленной влаги составляет 8 г, требуется 4 цикла продолжительностью 10, 14, 22 и 14 мин, общая продолжительность процесса 61 мин.

Для напыления воды на поверхность гушек предлагается использовать пару одноструйных пневматических форсунок высокого давления с движением потоков воды и воздуха под углом друг к другу. Форсунки располагаются одна напротив другой для опыления тушки с обеих сторон. В ходе экспериментов обнаружилось, что при расстоянии между форсунками около 1 м, и в случае, если они расположены не.соосно (расстояние между осями факелов распыла 2-3 см), то взаимодействие факелов аэрозоля друг с другом и с тушкой птицы приво-

дит к возникновению закрученного вихря аэрозоля вокруг тушки, что приводит, с одной стороны, к очень хорошему равномерному смачиванию еб поверхности, а, с другой стороны, - к практически полному отсутствию потерь влаги (вся напылённая влага остаётся на поверхности тушки, почти не стекая с ней). Таким образом, можно рекомендовать данный способ для практического применения в гидроаэрозольно-испарительных охладителях.

Система холодообеспечеиия аппарата для гидроаэрозольно-испарителыюго охлаждения тушек птицы должна состоять из двух контуров в соответствии с предлагаемым процессом охлаждения. Первый контур охлаждения представляет собой часть холодильной установки (либо отдельную холодильную установку), которая работает в режиме температур кипения холодильного агента (либо температур хладоносителя), не допускающих образования инея на тсплообмен-ной поверхности воздухоохладителя. Данное требование определяется условиями охлаждения тушек птицы на первых этапах, в которых осуществляется орошение тушек водой с последующим обдувом воздухом с температурой около 2 °С. При работе воздухоохладителей без образования инея на теплообменных поверхностях (в течение первых этапов охлаждения тушек) отсутствует необходимость в принудительной оттайке (так как приток влаги от поверхности тушек конденсируется на поверхности воздухоохладителя и стекает пленкой в дренаж), отсутствуют дополнительные затраты времени и энергетических ресурсов на принудительную отгайку. Второй контур охлаждения также представляет собой часть холодильной установки (либо отдельную холодильную установку), которая работает в режиме температур кипения холодильного агента (либо температур хладоносителя), допускающих образование инея на теплообмешюй поверхности воздухоохладителя, позволяющих получить температуру воздуха в аппарате -5...-7 °С.

На основании расчетных (или уточненных) параметров работы холодильной установки, по определенной схеме, предлагается к рассмотрению принцип работы аппарата для гидроаэрозольно-испарителыюго охлаждения тушек птицы (рис. 2 а, б) по аналогии с промышленным аппаратом типаЯЮ-ФАТ. На рис. 2 а представлен поперечный разрез предлагаемой схемы работы аппарата с указанием направления движения воздушных потоков:

- в каналах воздуховодов (2); - в зоне подвески тушек птицы (6); - в зоне теплообмешюй поверхности (испарителей) воздухоохладителей (3); - на входе в центро-

бежные вентиляторы (1). На схеме теплообменные поверхности (3) расположены в нижней части аппарата, что облегчает дренирование конденсата и талой воды с их поверхности, обеспечивает минимизацию уносимой массы конденсата с теплообменной поверхности за счет сил гравитации, воздействующих на капельную влагу, и за счет расстояния между верхней частью теплообменной поверхности и всасывающим окном вентиляторов, и дает возможность установки дополнительных отбойников (сепараторов) для отсечения капельной влаги. Подача охлажденного воздуха осуществляется центробежными вентиляторами (1) в напорный канал-воздуховод (8), из которого через щелевые сопла (4) воздух подается в зону подвесок для тушек птицы.

В предлагаемом аппарате охлаждения форсунки для распыления воды (на уровне водяного тумана) устанавливаются не стационарно (как в аппарате Я10-ФЛТ), а с возможностью их перемещения по длине аппарата в зависимости от массы тушек птицы (или при охлаждении других видов продукции - гуси, утки, кролики

и пр.). Форсунки располагаются в местах, где щелевые сопла закрыты заглушками (7) для того, чтобы ноток охлажденного воздуха не уносил распыленную влагу, которая должна равномерно распределиться по поверхности тушек птицы. Для этого длина заглушек щелевого согша рассчитывается таким образом, чтобы обеспечи ть процесс напыления влага на поверхность тушек птицы проходил н течение 5 - 10 с при отсутствии обдува охлажденным воздухом. Установка чаглу-шек щелевого сопла и перемещаемых форсунок позволяет быстро перенастроить аппарат на работу с другими видами продукции. В предлагаемом аппарате процесс охлаждения при температуре около 2 °С (первый контур) проходит на длине, составляющей 60 - 65 % от технологической длины аппарата, а процесс охлаждения при темперагуре около -7 "С (второй контур) проходит на длине, составляющей 35 - 40 % от технологической длины аппарата.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе разработанной теории охлаждения тел сложной формы предложен алгоритм расчёта продолжительности "сухого" охлаждения тушек птицы. Результаты подтверждены экспериментальными исследованиями.

2. Разработан способ расчёта продолжительности гидроаэрозолыюго охлаждения тел простой формы (пластина, цилиндр, шар), учитывающий зависимость "влажного" коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности, а, следовательно, и от времени.

3. Предложен алгоритм расчёта продолжительности гидроаэрозольно-испари-телыюго охлаждения тушек птицы после забоя, а также необходимой массы влаги, напыляемой на тушки, и хорошую корреляцию с экспериментальными данными.

4.Установлено, что применение гидроаэрозолыю-испарительного метода позволяет примерно в полтора раза сократить продолжительность охлаждения по сравнению с чисто воздушным методом.

5. Основные принципы выбора параметров процесса гидроаэрозольно-испари-телыюго охлаждения тушек, позволяют реализовать преимущества этого метода.

6.Установлена необходимость использования 3-4 циклов "напыление - обдув", причём продолжительность обдува должна возрастать по мере охлаждения тушек.

7. Установлено, что для обеспечения бесперебойной работы холодильной машины и высокого темпа охлаждения тушек, необходимо использовать на всех циклах обдува кроме последнего воздух с температурой 2-4 °С, а на последнем цикле - с температурой -4...-7 °С, которая не вызывает подмораживания поверхности тушек

В. Предложено использование двух температур кипения холодильного агента (температур хладоносителя) с применением автоматического регулирования в одном аппарате охлаждения.

9. На основе вышеупомянутых принципов и алгоритмов предложена методика инженерного расчёта аппарата по гидроаэрозольно-испарительному охлаждению тушек птицы.

10. Предложена технологическая схема интенсивного гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы, обеспечивающая требуемые стандартом качество продукта, при снижении эксплуатационных затрат.

11. Разработанная методика расчета обеспечивает возможность проведения реконструкции существующих линий охлаждения тушек птицы, при низких капитальных затратах.

Т(°С)

ч

ч

ч к»>

т (мин)

- _ и д --теория и

эксперимент для "сухого" охлаждения

— и о -

теория н эксперимент для "влажного" охлаждения

РИС. 1

РИС.2, (б)

1-Вентилятор

2- напорный канал-воздуховод

3-испарители воздухоохладителей

4-щелевые сопла

5-форсунки для воды

6-подвеска для тушек птицы

7- заглушки щелевого сопла

8- всасывающий канал-воздуховод

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Герасимов H.A., Осьмина И.В., Крупененков Н.Ф., Горелик Г.Б. Испытание воздушно-радиационной системы охлаждения мяса на Ленинградском мясокомбинате // Холодильная техника. - 1981. - № 6. - С. 52 - 54.

2. Малеванный Б.Н., Крупененков Н.Ф., Халявка A.A. Обобщение опыта работы систем охлаждения камер холодильной обработки мяса //Холодильная техника. - 1983.-№ 8. - С. 52 - 54.

3. Кулакова В.Е., Фролов C.B., Крупененков Н.Ф. К расчету времени гцдроаэрозольно-испарителыюго охлаждения тушек птицы // Вестник МАХ. -1999.-Вып. 2.-С. 44-45.

4. Кулакова В.Е., Фролов C.B., Крупененков Н.Ф., Судзиловскин И.И. Интенсификация гидроаэрозольно-испарителыюго метода охлаждения тушек птицы //Холодильная техника - 1999. - № 6. - С. 27

Подписано к печати 19.04.2000.Формат 60x84 1/16. Бум. писчая. _Печать офсетная. Печ.л 1.0 Тираж 80 экз. Заказ № 151.

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИПЦСПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Методы охлаждения тушек птицы после забоя.

1.2. Методы расчёта продолжительности охлаждения тушек птицы после забоя.

1.3. Методы расчета коэффициента теплоотдачи.

1.4. Выводы по литературному обзору.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ,ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ТУШЕК ПТИЦЬ!.

2.1. Введение.

2.2. Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы при постоянном коэффициенте теплоотдачи (без напыления влаги).

2.3. Вычисление продолжительности охлаждения тел простой формы с учетом испарения напыленной влаги.

2.4. Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы с учетом испарения напыленной влаги.

2.5. Определение растворимого белка в сточных водах при водяном и гидроаэрозольно-испари-тельном методах охлаждения тушек птицы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА АППАРАТА.

3.1. Расчёт форсунок для распыления воды и орошения тушек.

3.2. Основные принципы расчёта процесса гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек.

3.3. Описание системы холодообеспечения аппарата для гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы.

Потребности страны в качественных мясных продуктах питания требуют дальнейшего развития передовых технологий в отечественной мясоперерабатывающей промышленности. Одной из наиболее массовых отраслей этой промышленности является производство куриного мяса. Немаловажной составляющей этой производственной цепи является охлаждение тушек птицы, которое должно осуществляться после забоя. На большинстве предприятий птицеперерабатывающей промышленности до недавнего времени охлаждение тушек производилось водяным погружным методом, который позволяет достичь наибольшей производительности линий по убою птицы. Однако данный метод уже давно не отвечает мировым стандартам по части качества готовой продукции. Например, в странах Европейского Общего Рынка этот способ уже более 20 лет как запрещён к употреблению, поскольку он может приводить к перекрёстному обсеменению тушек патогенной микрофлорой. В последнее время у нас в стране этот факт тоже начинает осознаваться, в связи с чем отечественные предприятия начинают переходить на воздушный способ охлаждения. Однако для мировой практики воздушный способ также не считается оптимальным и на смену ему приходит новый, гидроаэрозольно-испарительный способ, который позволяет совместить преимущества водяного и воздушного методов охлаждения. Поэтому нам представляется целесообразным переходить от водяного способа охлаждения непосредственно к гидроаэрозольно-испарительно-му, как наиболее прогрессивному на данный момент.

Однако, для полной реализации преимуществ гидроаэрозольно-ис-парительного способа охлаждения тушек птицы, необходима разработка рациональной технологии охлаждения и соответствующее аппаратное оформление, которые должны опираться на надёжную теорию данного метода охлаждения. Поэтому создание теоретического обоснования технологии гидроаэрозольно-испарительного метода и, на его основе, методов инженерного расчёта соответствующих систем охлаждения представляется в настоящее время достаточно актуальной проблемой.

Предлагаемая работа посвящена именно этим вопросам. На основе предложенной физико-математической модели охлаждения тушек птицы с учётом напыленной на них влаги, а также разработанных основных принципов определения параметров процесса охлаждения, позволяющих в наибольшей степени реализовать преимущества гидроаэрозольно-испарительного метода, предложены и экспериментально подтверждены алгоритмы расчёта параметров процесса охлаждения и соответствующего аппаратного оформления.

1.4. Выводы по литературному обзору

1. Наиболее перспективным методом охлаждения тушек птицы после забоя в настоящее время представляется гидроаэрозольно-испари-тельный метод. Однако для полной реализации преимуществ этого метода необходим правильный выбор параметров процесса. В имеющейся литературе отсуствуют алгоритмы расчёта этих параметров.

2. Существующий метод расчёта процесса охлаждения тел сложной формы (метод регулярного теплового режима) содержит параметр (коэффициент формы), который может быть определён лишь экспериментально. Чисто теоретические методы расчёта в имеющейся литературе отсуствуют даже для случая постоянного коэффициента теплоотдачи.

3. Для определения "сухого" коэффициента теплоотдачи в литературе имеется достаточное число эмпирических формул. Что же касается "влажного" коэффициента теплоотдачи, то из двух имеющихся в литературе методов его расчета - метода Леви и метода Тамма - наиболее корректным является метод Тамма. Однако этот метод в настоящее время требует модификации, заключающейся в переходе от устаревшего графического интегрирования к численному с применением компьютера. I 7

ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ТУШЕК ПТИЦЫ

2.1. Введение

Как было показано в главе 1, определение продолжительности гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы до требуемой ГОСТом среднеобъёмной температуры 4 °С представляет собой весьма непростую задачу. Её сложность связана с двумя обстоятельствами:

1. Тушка курицы представляет собой тело достаточно сложной формы, которое не может быть с достаточной степенью точности ап-роксимировано ни одним из тел простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, шар) или их комбинаций (бесконечный прямоугольный брус, параллелепипед, конечный цилиндр), для которых имеется точное решение задачи их охлаждения.

2. При гидроаэрозольно-испарительном охлаждении, вследствие понижения температуры поверхности тушки в ходе процесса, уменьшается и интенсивность испарения влаги с поверхности, а, следовательно, и "влажный" коэффициент теплоотдачи. Существующие же решения задачи об охлаждении получены в предположении неизменности этого коэффициента.

Таким образом, соответственно этим двум обстоятельствам, мы имеем перед собой три задачи:

1. Разработать метод расчета продолжительности охлаждения тел произвольной формы (при постоянном коэффициенте теплоотдачи).

2. Разработать метод расчёта продолжительности охлаждения тел простой формы при переменном коэффициенте теплоотдачи, зависящем от температуры поверхности тела.

3. На основе объединения решений первых двух задач разработать метод расчёта продолжительности охлаждения тел произвольной формы при переменном коэффициенте теплоотдачи.

Представляется целесообразным решать эти задачи по отдельности, на каждом шаге проверяя теоретические выкладки экспериментально. В соответствии с этим структура настоящей главы следующая. В разделе 2.2 будет предложен метод расчёта продолжительности охлаждения тел сложной формы при постоянном коэффициенте теплоотдачи. Теоретические результаты сопоставляются с экспериментальными данными по охлаждению тушек курицы чисто воздушным способом (без напыления влаги - при этом коэффициент теплоотдачи постоянен). В разделе 2.3 предложен метод определения продолжительности охлаждения тел простой формы при переменном коэффициенте теплоотдачи. Результаты сравниваются с экспериментальными данными по гидроаэро-зольно-испарительному охлаждению модельных однородных тел простых форм - пластины, цилиндра и шара из геля агар-агара. И, наконец, в разделе 2.4, на основе объединения результатов разделов 2.2 и 2.3, предлагается алгоритм расчета продолжительности гидроаэрозоль-но-испарительного охлаждения тушек птицы. Результаты сравниваются с экспериментальными данными.

Кроме расчета продолжительности охлаждения, необходимо также умение рассчитывать массу испарившейся воды, как функцию прошедшего времени с начала процесса. Действительно, чтобы, с одной стороны, не допустить усушки тушки, а, с другой стороны, не расходовать лишнюю питьевую воду, необходимо напылять на тушку новую порцию воды именно в тот момент, когда полностью испарилась предыдущая порция. Но для этого необходимо знать, когда наступит этот момент. В разделах 2.3 и 2.4 предложены также алгоритмы расчета количества испарившейся влаги как функции времени.

2.2. Вычисление продолжительности охлаждения тушек курицы при постоянном коэффициенте теплоотдачи (без напыления влаги)

Как было показано в главе 1, попытки применения уравнений теории регулярного теплового режима (1.2) и (1.4) к охлаждению тушек птицы наталкиваются на серьёзное затруднение: они содержат параметр К = И2/«(со), который может быть определён (для тела сложной формы) только экспериментально. Из формул (1.2) и (1.4) видно, что для разрешения этого затруднения, необходимо иметь теоретическую формулу для ае(В1) для тел произвольной формы. При этом необходимо опираться на тот факт, что нам известна эта зависимость для тел простой формы (как корень соответствующих трансцендентных уравнений). Напрашивающийся путь решения этой задачи следующий: опираясь на известные численные значения этой функции для тел простой формы, подобрать апроксимирующую формулу для эс(В1,Ф), чтобы при Ф = 1 она давала соответствующую зависимость для пластины, при Ф = 1/2 - для цилиндра, и при Ф = 1/3 - для шара. При этом следует подобрать структуру этой формулы таким образом, чтобы максимальная для всех трёх случаев и всех значений В1 погрешность была бы минимальной.

Предлагается следующая апроксимирующая формула:

В1 зе «- . (2.1)

Ф / 1 + (0,664 + 0.164-В1)-В1'Ф1/2

Сравнение результатов вычислений по формуле (2.1) с известными данными для пластины (при Ф = 1), бесконечного цилиндра (Ф = - 1/2) и шара (Ф = 1/3) показывает (см. табл. 2.1, 2.2 и 2.3), что формула (2.1) справедлива для тел простой формы с погрешностью, не превышающей 1,5 %.

1. Алямовский И.Г. Регулярный режим охлаждения мясных полу-туш //Мясная индустрия СССР. 1970. - N 6. - С. 35-36.

2. Алямовский И. Г. Определение коэффициента формы говяжьих полутуш при охлаждении //Мясная индустрия СССР. N 3. - С. 32-40.

3. Алямовский И.Г. Регулярный режим охлаждения. Л.: ЛТИХП,1983.

4. АОЗТ "Марьинская птицефабрика": Модернизация цеха убоя птицы на базе современного технологического и холодильного оборудования //Холодильная техника. 1999. - N 6. - С. 26.

5. А. с. СССР N 1162401, А 23 L 3/36, 1985.

6. Богатырёв Г.П., Дибирасулаев М.А. и др. Исследование некоторых параметров технологии гидроаэрозольного охлаждения тушек птицы //Холодильная техника. 1986. - N 1. - С. 26-28.

7. Бородин В.А., Дитякин Ю.Ф. и др. Распыливание жидкостей.- М.: Машиностроение, 1967.

8. Венгер К.П., Камзолов С.М. Пути совершенствования техники и технологии охлаждения птицы. М.: АгроНИИТЭИММП, 1989.

9. ВитманЛ.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкостей форсунками. М.-Л.: Энергоиздат, 1962.

10. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

11. Герасимов Н.А., Осьмина И.В., Крупененков Н.Ф., Горелик Г.Б. Испытание воздушно-радиационной системы охлаждения мяса на Ленинградском мясокомбинате //Холодильная техника. 1981. - N 6.- С. 52-54.

12. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. M.: Пищевая пром-сть, 1973.

13. Голянд M. М., Малеванный Б.Н. Холодильное технологическое оборудование. М.: Пищевая пром-сть, 1977.

14. Желиба Ю. А., Онищенко В. П., Головский С.Е., Яковлев A.B. Экспериментальные исследования теплообмена при холодильной обработке упакованных тушек кур //Депон. в ГНТБ Украины. 22.02.94. -N 354. - 15 с.

15. Кацнельсон Б.Д., Тимофеева Ф.А. Исследование конвективного теплообмена между частицами и потоком в нестационарных условиях //Труды ЦКИТИ. 1949. - Кн. 12.

16. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М. : Гос. изд-во техн.-теор. лит-ры, 1954.

17. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М.: Гос.науч-но-техн. изд-во машиностр. лит-ры, 1957.

18. Кулагин Л.В., Морошкин Л.Я. Форсунки для распыливания тяжёлых топлив. М.: Машиностроение, 1973.

19. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: ГЭИ, 1959. - 414 с.

20. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, сибирское отделение, 1970.

21. Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия, 1972. - 320 с.

22. Куцакова В. Е., Фролов C.B., Крупененков Н.Ф. К расчёту времени гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы // Вестник МАХ. 1999. - Вып. 2. - С. 44-45.

23. Куцакова В.Е., Фролов C.B., Крупененков Н.Ф., Судзиловс-кий И.И. Интенсификация гидроаэрозольно-испарительного метода охлаждения тушек птицы //Холодильная техника. 1999. - N 6. - С.

24. Логинов Л.И., Сивачева A.M. Охлаждение тушек птицы методом орошения //'Холодильная техника. 1973. - N 8. - С. 31-33.

25. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. М.: Машиностроение, 1966.

26. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа,1967.

27. Лыков A.B. Теория сушки. М., Энергия: 1968.

28. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия,1978.

29. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1971.

30. Малеванный Б.Н., Крупененков Н.Ф., ХалявкаА.А. Обобщение опыта работы систем охлаждения камер холодильной обработки мяса //Холодильная техника. 1983. - N 8. - С. 52-54.

31. Обсуждение методов охлаждения тушек птицы //Холодильная техника. 1973. - N 8. - С. 53.

32. Патент Венгрии N 174290, А 22 С 21/00, 1980.

33. Патент РФ N 2076288, F 25 D 17/02, 1994.

34. Патент России N 2073450, МКИ 6А 23 В4/06.

35. Патент СССР N 1828690, 1991.

36. Патент США N 4199958, F 25 D 17/02, 1980.

37. Патент США N 5456091, МКИ 6F 25 D17/02.

38. Патент США N 5484615, МКИ 6А 22 С21/00.

39. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979.

40. Пажи Д.Г., Прахов A.M., Равикович Б.Б. Форсунки в химической промышленности. М.: Химия, 1971.

41. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. М.: Химия, 1984.

42. Сборник примеров, расчетов и лабораторных работ по курсу "Холодильное технологическое оборудование". М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981.

43. Середкин A.A. Холодильная обработка тушек птицы на птицекомбинатах Краснодарского края //Холодильная техника. 1973. - N 8. - С. 37-38.

44. Сивачева A.M., Буланов H.A., Карих Т.М. Контактное охлаждение тушек птицы в ледяной воде. М.: ЦНИИИТЭИмясомолпром, 1970.

45. Сивачева A.M., Буланов H.A., Кащук В.Ф., Карих Т.М., Па-лубец A.M. Совершенствование способов охлаждения мяса птицы //Холодильная техника. -1977. -N6. -С. 37-40.

46. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970.

47. Станко К., Станчев Охлаждение и замораживание тушек птицы //Холодильная техника. 1973. - N 8. - С. 35-36.

48. Судзиловский И., Богатырёв А., Рогов И., Мизерецкий Н. Холод и технология пищевых продуктов. Ижевск: "Печать - Сервис", 1996.

49. Тантиков М.3. Новые конструкции аппаратов для охлаждения и замораживания птицы //Холодильная техника. 1972. - N 2. - С. 6-9.

50. Филоненко Г.К. Кинетика сушильного процесса. М.: Обо-ронгиз, 1939.

51. Филоненко Г.К., Лебедев П.Д. Сушильные установки. М.: Госэнергоиздат, 1952.

52. Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Я.М., Коссек

53. B.K. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая пром-сть, 1971.

54. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. -Л.: Машиностроение,1976.

55. Цветков А.И., Оленев А.К. Аналитическое исследование процесса гидроаэрозольно-испарительного охлаждения тушек птицы // Вестник МАХ. 1998. - Вып. 2. - С. 48-49.

56. Черпаков П.В. Теория регулярного теплообмена. М.: 1975.

57. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. М.: Пищевая пром-сть, 1979.

58. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: ИЛ, 1956.

59. Berner Н., Scholtyssek S. "Die Fleischuirtschaft", N 4, 1968, s. 43.

60. Blausius H. Grenzschichten In Flüssigkeiten mit kleiner Reibung. Z. Math, u Phys., 56 (1908), 1.

61. Grossklaus B. "Die Fleischuirtschaft", N 1, 1966, s.50.

62. Hiemenz K. Die Grenzschicht an einem in den gleichförmigen Flussigkeitsstorm eingetauchten geraden Kreiszylinder. Dingl. Polytechn. J., 326, (1911), 32.

63. Howarth L. On the calculations of steady flow in the bo-undary layer near the surfасе of a cylinder in a stream. ARC Report 1632 (1935).

64. Levy F. A diagram for the transfer of heat and mass and Its application to problems of Refrigeration, Annexe, 1970-1 au Bulletin de I'IIF p. 271-286.

65. Levy F. Meat-towards better understanding of the mechanism of weight loss, Annexe, 1974-3, p. 103-114.

66. Lorentz E. "Die Fleischuirtschaft", N 1, 1966, s.49.

67. Prandtl L. Wärmeaustausch und Stromungswiderstand In Flu-Igkelgkten. Phys. Z., 11 (1910), 1072.

68. Ristic Milan //Fleischwirtschaft, 77, N 9, 1997, c. 810811.

69. Schlichting H. Einige exakte Losungen fur die Temperaturverteilung in einer laminaren Strömung. ZAMM, 31 (1951), 78.

70. Szentkutl L., Pavlus G., Zeisther L. "Die Fleischuirtschaf t", N 12, 1969, s. .

71. Szlgetl M. Elemezesl Ipar, 1982, 36, N 2, s. 50-56.

72. Tamm W. Neue Untersuchungen über f'leischkulung. "Der Kalte - Klima - Praktiker", 1972, N 12, s. 380-387; 1973, N 1, s. 2-8.

73. Tamm W. New Investigations on the chilling of pork. Annexe 1973 - 6 au Bulletin de 1'I.I.F., p. 91-101.

74. Ulsamer I. Forschung, Bd. 3, 2, 1932.

75. Veerkanep C.H. Broiler Industry, 1980, 43, N 12, pp. 42-48.