автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.14, диссертация на тему:Научные основы разработки технологических систем замораживания мяса

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

СТЕ5А1ЮВСКИЙ Владимир Михайлович

УДК 664.8.037.521

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ МЯСА

05.18.14 - Хранение и холодильная технология пищевых продуктов

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

- 1992 -

- • Рабо?У Ьыййнена во Всесоюзном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте холодильной промышленности (ВНИКТИхолодпром) НПО "Агрохолодпром" Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный консультант

академик Российской академии сельскохозяйственных наук

В. А Паафилоя

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор В. В. Куцвкова

доктор технических наук, профессор А. Г. Иовов

доктор технических наук, профессор К П. Веаеер

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности

Зашита состоится "Хр{'(>. 1993 г.

в

часов на васеда-

нии Специализированного Совета Д 063. 02. 02 Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Научный доклад разослан " С7.199£

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук, доцент.

^т/Алг' и г.

Стееалте в

_ 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Практика эксплуатации холодильников мясной промышленности показывает,что ранее научно обоснованные способы холодильной обработки, например однофазного замораживания мяса в полутушах, в камерах большой емкости не дают ожидаемых результатов. Фактические потери от усушки превышают нормативные на 40 % и более, продолжительность ззмора^сивания полутуш в "...2,5 раза больше указанной в технологической инструкции.

Проблема быстрого замораживания мяса с минимальными потерями от усушки на современном этапе не только не утратила своей актуальности, но и приобрела еще большую остроту. Это обусловлено тем, что возможности традиционных технологий замораживания в значительном снижении усушки мяса и увеличении производительности камер замораживания оказались практически исчерпанными.

При теоретических исследованиях и построении математических моделей холодильных камер реальные физические процессы рассматривают в цепи "продукт-воздух-охлаждающие устройства-компрессор". В такой схеме компоновки объектов ряд звеньев не имеет цели функционирования. Поэтому необходимо вскрыть закономерности строения, функционирования и развития конкретного технологического потока, без чего невозможно создание нового поколения камер замораживания.

В настоящее время при проектировании камер замораживания не учитывают массы полутуш, продолжительности загрузки и плотности размещения их в камере, изменения теплового потока при групповом замораживании полутуш и других условий. Поэтому требуемая температура обработки на практике не обеспечивается, что увеличивает усушку и снижает качество мяса.

В более широком аспекте необходим анализ работы не камеры, а технологической системы замораживания (ТСЗ), то есть совокупности взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно це-

лое машин и аппаратов, с помощью которых осуществляются все технологические операции от подготовки сырья до получения замороженного продукта.

В этой связи важное народнохозяйственное значение имеет дальнейшая разработка научных основ технологического потока, которые позволят с принципиально новых позиций совершенствовать применяемые и разрабатывать новые эффективные холодильные технологии и системы.

Исследования и разработки выполнены в соответствии с тематическими планами ВНИКТИхолодпрома за 1981 - 1990 годы и комплексными программами ГКНТ (О.Ц.030/0.0.38.04 П/09) "Холод", "Энергия".

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование принципов разработки высокоэффективных технологических систем замораживания мяса в полутушах. Для достижения цели определилась необходимость решения следующих задач:

- провести системный анализ и системный синтез холодильных технологий;

- всесторонне обследовать промышленные камеры замораживания \ определить стабильность отдельных подсистем ТЗС;

- теоретически и экспериментально исследовать нестационарны« процессы тепломассообмена при замораживании мяса в полутушах;

- развить методологию проектирования ТСЗ и внедрить наиболее перспективные технологии в промышленную практику;

- комплексно оценить внедренные в практику результаты исследова ний и принятые технические решения.

В работе предложена научная концепция, состоящая в новом подход к изучению и совершенствованию камер замораживания мяса как сложно системы взаимодействия мясных полутуш с техническими средствами. Пр этом сделан акцент на том, что полутуши выполняют различные функци на разных этапах обработки: формируют живое сечение рабочей зоны системе циркуляции воздуха, создают тепловую (пиковую) нагрузку н холодильное оборудование, предопределяют время оттаивания воздухоох

ладителей и др.

В тс же время камеры замораживания являются элементом мясоперерабатывающего предприятия, представляющего совокупность взаимосвязанных систем: организации производства (I), технологической (II) и осуществления типового процесса (III), - между которыми существует трехступенчатая соподчиненность (рис. 1).

I СИСТЕМА ОРГАНИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВА

МЯСОКОМБИНАТ \-

Мясокировой цех

I

Холодильник

Колбасный цех

Прочие

цеха

П ХСШОШЛЪНО-ТЕШОДОШЧЕСКАЯ

систаш. ,-

ТС

охлаждения

Подсистемы

-тс-

замораживания

Размещения и перемещения полутуш

ТС

хранения

ТС хладо-1 транспорта

Циркуляции

рабочей

среды

Подготовки рабочей среда (по параметрам)

Ш СИСТЕМА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТИПОВОГО ПРОЦЕССА

Типовые процессы в определенном машинно-аппаратурном оформлении

X

Механи-

ческие

Гидро- и аэродинамические

Теплофи- Maccooö- Биохими-

зические менные ческие

С

В

А

Рис. I. Системы мясоперерабатывающего предприятия

Проводившиеся ранее исследования касались преимущественно систем I и III уровней. Проблема существенного ресурсосбережения требует детального изучения систем II уровня, в частности технологических систем замораживания.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являлись технологические системы замораживания, а также аэродинамические и тепломассообменные процессы, протекающие в них при замораживании по-лутуш скота пастбищного и промкомплексного содержания.

Основные методы исследования - аналитический, численный и экспериментальный. При прямом физическом моделировании камер замораживания и исследовании на модельных телах использовали метод фото- и киносъемки. Процесс испарения влаги с поверхности полутуш изучали экспериментально методом тепломассометрии. Ряд задач решали аналитически с привлечением математического аппарата , который традиционно используется при рассмотрении дифференциальных уравнений. Применяли также численные методы решения систем уравнений (с ловлей фронта фазового превращения в узел сетки) на ЭВМ. Задачи установления основных закономерностей и взаимосвязей, определяющих'усушку мяса в промышленных ТСЗ, решали на разных этапах исследования методом корреляционного и регрессионного анализа.

Научная новизна. Сформулирована научная концепция о природе взаимодействия мяса в полутушах с техническими средствами как основы для создания высокоэффективных ТСЗ.

Систематизированы сведения о ресурсосберегающих холодильных технологиях, разработаны морфологический классификатор, "дерево целей и решений", на основе которых установлены наилучшие средства реализации технологических функций по структуре и режимам функционирования.

Получены унифицированные данные о работе промышленных камер замораживания, позволившие развить представления о роли полутуш в функциях подсистем ТСЗ.

Разработаны научные основы кинетики фазового превращения в системе "лед - вода". Сформулированы представления о характере изменения массы "исчезающей фазы" и плотности теплового потока на границе фронта фазового перехода. Получены аналитические и обоснованы эмпирические зависимости, позволяющие учитывать влияние режимных параметров на продолжительность замораживания отдельной полутуши и устанавливать динамические характеристики ТСЗ.

Определены основные закономерности усушки полутуго в зависимости от емкости камеры под влиянием различных условий замораживания.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность направленного регулирования усушки при замораживании мяса в полутушах.

Сформулированные принципы и усовершенствованная методология проектирования ТСЗ использованы при создании ряда технологий.

Практическая ценность. На основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны и предложены:

- классификация холодильных технологий как инструмент выявления новых технических решений, обеспечивающих сохранение качества мяса и сокращение усушки;

- рекомендации по рациональному использованию подсистем ТСЗ;

- значения параметров охлаждающего воздуха, при которых стабильно выполняются функции ТГЗ;

- способы уменьшения допустимых отклонений усушки от номинального значения.

Предложенные технологические и технические решения использованы при реконструкции камер замораживания на мясокомбинатах в городах Готня, Димитровград, Житомир, Каменка, Липецк, Омск, Скопин, Ужгород, Чебоксары.

Разработаны технологии и утверждена Минмясомолпромом СССР и Го-сагропромом СССР- (1987, 1988, 1991 гг.) нормативно-техническая доку-

ментация в виде рекомендаций по проектированию и методике расчета камер замораживания предприятий мясной промышленности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях, коллоквиумах и семинарах: Международной конференции МИХа (Дрезден, 1990 г.), Международном коллоквиуме по холоду (Кетен, 1988 г.), Научном Совете ГКНТ СССР (Астрахань, 1978 г.). Научно-техническом совете Миныясомолпрома СССР (Москва, 1985 г.), Комиссии по рациональному использованию материальных ресурсов Минсельхозпрода РСФСР (Москва, 1991 г.). Общесоюзном теоретическом семинаре МТИММПа (Москва, 1979 г.), Российской научно-практической конференции "Повышение качества мяса и мясопродуктов, проблемы и их решения" (Иваново, 1990 г.), XII Киевском симпозиуме "Стратегия советской науки: опыт обоснования и реализации, перспективы перестройки науки" (Киев, 1988 г.); всесоюзных научных и научно-технических конференциях: "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению процессов химических производств" (Л., 1975 г.), "Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильной и криогенной техники и кондиционирования воздуха" (Ташкент, 1977 г.), "Пути повышения эффективности получения и использования искусственного холода" (Баку, 1978 г., Ташкент, 1980 г.), "Пути интенсификации производства и применение искусственного холода в отраслях АПК" (Ташкент, 1985 г.), "Интенсификация производства и применения искусственного холода" (Л., 1986 г.), "Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса" (Кишинев, 1987 г.), "Пути развития науки и техники в мясной и молочной промышленности" (Углич, 1988 г.), ."Теория и практика прогнозирования научно-технического прогресса" (Минск, 1990 г.), "Надежность научно-технических прогнозов" (Новосибирск, 1990 г.), а также на секциях и заседаниях Ученого совета ВНИК*

ТИ^олодпрома (Москва, 1983 - 1992 гг.).

Публикации. Основные научные положения диссертации изложены в 52 печатных работах, в том числе трех монографиях. Новизна разработанных технических решений подтверждена 12 авторскими свидетельствами.

I. СИСТЕ1ЯШЙ АНАЛИЗ И СИСТЕШЫЙ СИНТЕЗ ХОЛОДИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В соответствии с современными системными воззрениями при изучении хотодмьчнх технологий составлены три вида описания (моделей, отображающих определенную группу свойств системы): информационное, морфологическое и функциональное. Их построение основано на массиве патентных документов (1Щ) за 25 лет и непатентной информации (научно-технической, фирменной, конъюнктурно-экономической и экспертной).

В результате анализа информационных потоков- сделаны следующие выводы:

- прогресс холодильных технологий носит больше эволюционный, чем революционный характер, и в ближайший период предполагает модернизацию и развитие существующей техники;

- при разработке новых технологических процессов и технических систем чаще всего ставится цель - сократить потери массы продукта при термической обработке (87 % ПД);

- увеличение ресурсов продовольствия путем сокращения потерь при холодильной обработке связано в основном с такими продуктами, как мясо (58 % БД) и рыба (31 % ИД);

- среди патентных документов, посвященных процессам холодильной технологии, наибольший объем информации касается процессов замораживания (40 X ГЩ) и процессов размораживания (29 % ПД). При этом данные патентной статистики по процессу замораживания коррелируют главным образом с обработкой мяса, а процессы размораживания - с обработкой рыбы;

- основной охлаждающей средой при замораживании продуктов оста-, ется воздух (52 % ПД); применение криожидкостей характерно для спе-

циалькых технологий (17 7. ПД);

- температура и скорость охлаждающего воздуха - главные факторы, влиявшие на усушку мяса при замораживании; при этом патентование изобретений по поддержанию низких температур в зоне обработки примерно в 1,4 раза выше, чем по увеличению скорости охлаждающего воздуха;

- наиболее прогрессивные холодильные технологии разработаны для мелких продуктов массой до 1 кг (33 X ПД). Вместе с тем достаточно большое количество патентов (не убывающих в динамике) посвящено холодильной обработке продуктов в виде крупных частей массой более 30 кг (24 % ПД);

- в ближайшие годы обработка мяса в полутушах и крупными кусками останется в основе многих холодильных производств (способы обработки в камерах отращены в 55 % ПД).

На основе морфологического классификатора (табл. 1) оценены все возможные альтернативные пути решения проблемы сокращения усушки продуктов при холодильной обработке. Выбор альтернативных средств реализации технологических функций осуществляли на разных уровнях абстрагирования: по структурным элементам, узлам и т.п., по принципу действия (повышенный уровень абстрагирования), а также по пригодным физическим эффектам (более высокий уровень абстрагирования).

В результате сопоставительного анализа процесса замораживания и противоположного ему процесса размораживания (см. табл. 1) критически оценены прогнозные варианты развития ТСЗ и сделано заключение, что оба процесса реализуются принципиально одними и теми же аппаратными средствами, имеют аналогичное конструктивное оформление и т.д. Это дает основание рассматривать их как единое мнохестзо технических решений и, таким образом, использовать удачные технические решения при разработке новых технологических процессов. Например:

- в технологию замораживания, мяса в полутушах необходимо ввести принцип рециркуляции рабочей среды, который успешно используют в технологии размораживания (рыбы) и не применяют при замораживании;

Таблица I

Фрагмент морфологического классификатора

Р( Вид процесса холодильной технологии ?2 Вид продук-

Вид рабочей среды, взаимодействующей с продуктом

Способ организации технологического процесса

Мясо, мясо- Птица, яйце-|Рыба, рыбо- Молоко, мо-

процесса

холодильной

обработки

Газообраз-наЦ ^аэо-ЯИДКОСТ-

ная

Жидкость, не изменяющая агрегатное состояние

/КиДлОСТЬ,

изменяющая агрегатное состояние

лочные продукты

Насыщенный пар

Растятель- Комбиниро-ные прозук- ванные про-ты дукты,блюд&.

Охлаждающая Твердое ллита или тело, кэ~ другое . меняющее твердое те- агрегат-ло ное со-

стояние

Без рнаделения на операции^

при самопроизвольном изменении парамет ров

с однократной циркуляцией охлаждающей среды (чаще Nt, СО,...)

при программируемых режимах обра— ■ботки

С выделе ни-1 ем технологических операций и переходов

замкнутой циркуляцией о хл аясдающе й среды

с рециркуляцией части отработавшей среды

без какой-либо ее обработки

при промежу-при дополни-точном ее тельном ее

охлаждении (в камере илиотдельной зоне)

увлажнении

1----ТС размораживания

- ТС замораживания

- различные части полутуш (бедро, лопатка) следует обрабатывать холодным воздухом разной температуры и скорости, в то время как в традиционных ТСЗ стремятся поддерживать их одинаковыми и постоянными;

- целесообразно выделить и обеспечить соответствующей техникой технологические операции (подмораживание, замораживание, доморажива-ние) ;

- при создании холодильной техники ориентиром могут служить средние значения температуры и скорости охлавдающего воздуха в зоне замораживания I - минус Зб°С, и - 2,7 м/с, на что указывает динамика их изменения (рис. 2).

-20

-30 -40

Сс

Йь.

%> о

—-,---,-,-1-.-1-

1960 1970 1980 1990 2000 Год

и,*

< -(---'-1-1---1

1960 1970 1980 1990 2000 Год

Рис. 2, Динамика изменения температуры (а) и скорости (б) охлаздаацего воздуха в ТСЗ по данным патентной (о), научно-технической (о) информации и экспертного опроса («ф-).

Анализ холодильно-технологических систем показал, что они становятся все сложнее и дороже, а сроки их разработки в ряде стран соизмеримы со сроками их морального старения. Это обусловило необходимость сравнения различных точек зрения на целесообразность той или другой технологии и системы.

Предложенная структуризация главной цели (сокращение усушки продукта при холодильной обработке), представленная в виде "дерева целей и решений" (рис. 3), позволила путем анализа мировой изобретательской активности установить важность отдельных направлений (стратегий) достижения главной цели (рис. 4). Количественные оценки важности определены подсчетом доли патентных документов по отдельным ветвям дерева целей для определенного уровня.

Анализ информационных потоков привел к заключению, что по шкале оценки показателей важности направление Аз (коэффициент 0,56) соответствует значению "большая важность". Следовательно, достижение главной цели путем использования интенсивных холодильных технологий (Аз) является предпочтительным направлением, направление А1 - полезным (средняя важность), а направление Аг - необязательным, лишь косвенно содействующим достижению главной цели.

Задачи второго уровня - подходы в осуществлении стратегий - по степени важности расположились в следующем порядке:

Вб + В? - поддержание в зоне обработки продукта низкой температуры охлаждающей среды (коэффициент относительной важности С,06 + 0,29 - 0,35);

Ва - интенсификация теплоотдачи от продукта к охлаждающей среде (коэффициент 0,23);

Вз - уменьшение доли испаряющей поверхности продукта (коэффициент 0,17).

Остальные подходы менее эффективны. Их коэффициент относительной важности равен или меньше 0,1 (см. рис. 4): для В1 - 0,07; Вг - 0,1;'

ГЛАВНАЯ ЦЕЛЬ

А,

Ум«мки»#ми» испаритесь-мой способности продукта

ПОДХОДЫ в,

в3

Сокращение усушки продукта при холодильном оброботке

Уменьшение погпощательной способности окружающей среды

Повышение - степени удержания влоги в продукте Замещение испаряющей поверхности продукта иной поверхностью испарения или сублимации Уменьшение ДОЛИ испаряющей поверхности продукта

Биологические Нанесение Первичная

методы (селекция,кормление, предуоойкое успокоение животных и др.) воды.водных дисперсий подсушка (термичес* хоя.отжо-тыми полотенцами, отсасыванием,встряхиванием)

Физико-химичес- Нанесение Упаковка,

кие и электрофизические методы (закрепление растворами, электростимуля-ци* др.| эмульсий, жи» росодержащих покрытий обертывание тканью, укладка, напыление, обсыпка и др.

Механические Нанесение Сортировка

методы (массирование и др.) суспензий, глазуровонке продукции

»4

В

Лоддержо-ние спределен н ого

состава охлаждав щей среды

Увеличение

в среде доли высокомолекулярных компонентов

Внесение

влоги с наружным или рецир-купирующим воздухом или от других источников

Выдерживо-

hhjтребуемого соотношения массы продукта и охлаждающей

среды

Поддержание заданного ДО*' ленив

Создоние избыточ-ного давления

В

Вт

Поддержание низкой т*<*перо-туры

Уме>

ьшеине

теплопрохо-димости изоляционного контура с проемами

для загрузки-выгрузки

Пошышемие эффективности использования источников окну мул про ванного холода или приборов охлаждения

Регламенти-

рование тепловыделений от загружаемого продукта и от других источников

Уменьшение общей продолжительности процесса холодильной об* работки (ускорение отвода тепло_ты от продукта )_

Интенсификация теплоотдачи от продукта

Роционольное

размещение и вентилирование продукта (увеличение скорое-тм.турбуяент-иости потока)

Замена

охлаждающей среды.ступенча-тое или периодическое изменение ее параметров

Наложение

поля электромагнитных, упругих и других колебаний

Уменьшение массы про а у* то

Разделка про-

дукта, но крупные части более 30 кг

Разделка про-

дукто но часть

массой 30...1 кг

формирование

блоков

Разделкя про-

дукта но мелкие чости массой ме • нее 1 кг.измельче -ние

2

Рис. 3. "Дерево целей и решений" проблемы сокращения потерь при холодильной обработке пищевых продуктов

¿лаенад цель

0,55

0,66

0,07

0,68

о,5г

3,41

0,07

Повода @@@ ©©© в©©

Ке»й>»- 0,07 0,1 0,1? 0,03 0,01 0,06 0,19 0,23 0,04

ниеит '-у-'

отиосн- 0,35 »еяьноЯ

МАИОСТУ

Рис. 4. Относительная важность элементов "дерева целей и решений"

34 - 0,03; 85 - 0,01; Вд - 0,04.

Полученные статистические оценки перспективности разных направлений сокращения потерь от усушки верифицированы методом коллективных экспертных оценок.

Специалисты из 21 организации бывш. СССР, а также из Магдебургс-кого института холодильного хозяйства и Гданьского политехни-

Кетенского технического института (Германия) ческого института (Польша), Братиславского исследовательского института (Чехословакия), Шпренгеровского института (Нидерланды) и Бристольской лаборатории (Великобритания) считают маловероятным переход до 2010 г. на технологию полной разделки и вакуумной упаковки мяса в пленку, при которой проблема усушки будет снята. По их коллективной оценке в 2010 г. от 48 до 53 % мяса будет подвергаться холодильной обработке и хранению в виде туш, полутуш и четвертин.

Результаты экспертных оценок стратегий Аг и Аз показали, что при реконструкции действующих предприятий и строительстве новых наиболь-дий эффект может быть получен от применения интенсивных холодильных технологий (стратегия Аз).

Данные укрупненного технико^-зкономического анализа возможных результатов промышленного внедрения технологий по стратегиям А1 и Аз юказывают, что технология с предварительным нанесением на полутуши

пищевого покрытия требует наименьших капитальных затрат на организацию процесса. Однако массовое внедрение только этого способа не обеспечит суммарного сокращения потерь мяса по стране, если возрастут объемы его производства. В таком случае, по расчетам, потери увеличатся к 2010 г. до 244 тыс.т в год.

Существенное сокращение потерь может быть обеспечено путем широкого использования интенсивной технологии однофазного замораживания и замораживания в скороморозильных аппаратах. Согласно расчету суммарные потери мяса от усушки должны сократиться до уровня 111 тыс. т в 2010 г.,что равноценно сохранению 60 тыс. т мясных ресурсов. Наиболее вероятные средние потери мяса от усушки по отрасли к 2010 г. составят примерно 1 % в год.

За методологическую основу при решении задач совершенствования или создания новых ТСЗ принят принцип декомпозиции главной функции в иерархический структурно-функциональный граф (рис. 5).

ТСЗ при построении структурно-функциональной модели рассмотрена не в конкретной предметной форме, а как комплекс выполняемых функций. В работе ставится и решается задача создания на основе данной модели принципиально новых технических решений, с помощью которых снимаются существующие противоречивые отношение между целевыми функциями отдельных подсистем.

Анализ функций, выполняемых составными частями ТСЗ, показал, что главной функцией ТСЗ является Fi - превратить влагу, содержащуюся в мясе, в лед.

Функции 01 и 02 первого уровня отнесены к основным. В зависимости от технологии замораживания предлагаются две схемы конструктивного оформления зоны обработки. По первой схеме замораживание полутуш от начала до конца проводят в одной камере замораживания, по второй -в одной камере, например, со встроенным туннелем для подмораживания, или в двух отдельных камерах. Добавление в последнем случае функции Вj к вспомогательной функции Вд позволяет: интенсифицировать процесс

Главная функция Рт

ПРЕВРАТИТЬ ВЛАГУ, СОДЕРЖАЩУЮСЯ В МЯСЕ, В ЛЕД

Основные функции

ОТВЕСТИ ТЕПЛОТУ ЗАМОРАШВАНИЯ ПРИ ОДНОМ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНОМ РЕЖИМЕ

ОТВЕСТИ ТЕПЛОТУ ЗАХОРАНИВАНИЯ ПРИ ДВУХ ИЛИ БОЛЕЕ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ РЕЖИМАХ

ОБЕСПЕЧИТЬ КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПОТОКОМ

5 Я

и к

X

>3

<а а в »А

ч

ш

о §

с

о «

Обеспечить требуемую скорость оо'дува полутуш

Обеспечить

движение

воздуха

через зону

размещения

полутуш

Обеспечить требуемую температуру воздуха в зоне обработки

Выдержать требуемую продолжительность обработки полутуш данной ыассы

312\ В2Т^ в22 \В31

Разместить полутуши Направить воздух в требуемое место зоны обработки Обеспечить требуемую скорость загрузки полутуш в зону обработки Передать теплоту от воздуха к хладагенту Вывести полутуки из одной зоны обработки в другую

Обеспечить отбор на рециркуляцию требуемой части воздуха

Обеспечить движение воздуха через приборы охлаждения

Обеспечить движение хладагента через приборы охлаждения

Поддержать требуемую температуру кипения хладагента

Удалить

снеговую

шубу

Рис. 5. "Дерево декомпозиции функции

обработки и уменьшить усушку мяса; исключить излишнее охлаждение строительных и конструктивных элементов камеры, присущее стадии домо-раживачия мяса; повысить оборачиваемость камеры замораживания.Однако последующая перегрузка мяса из камеры замораживания в буферную камеру, где мясо доводят до необходимых кондиций, несколько увеличивает объем norрузочно-разгрузочных работ.

Функции III и IY уровней требуют конструктивного и технологического исполнения в соответствии с целевым назначением. Так, ресурс функции В121 не сбалансирован с ресурсом функции Вгз1> причем до сих пор эти функции реализуют одним и тем же вентилятором (воздухоохладителя ). Поэтому ставится задача ввести самостоятельную подсистему циркуляции рабочей среды через зону холодильной обработки мяса, что позволит использовать возможности функций В121 и Bl22-

Функции Вц и В22 при ручной загрузке камеры имеют избыточный ресурс по отношению к ресурсу функции В23. что обусловлено централизованной подачей хладагента в приборы охлаждения. Снять это противоречие для камер однофазного замораживания предлагается введением децентрализованной схемы подачи хладагента (функция В232).

Таким образом, исходя из сопоставительного анализа функций сделано заключение, что в ТСЗ необходимо иметь, по крайней мере, пять подсистем: загрузки и размещения незамороженного продукта, подготовки рабочей среды (по параметрам), отвода теплоты от продукта к рабочей среде, подготовки продукта к выгрузке, управления работой ТСЗ.

Соответственно определены следующие принципы и материальные носители функций:

- пакетированная обработка продукта с использованием стоечных поддонов, конвейеров фронтальной загрузки, контейнеров и других средств;

- сегментирование материального потока делением территории низкотемпературной обработки на зоны подмораживания-замораживания-домо-раживания;

- децентрализованная подача хладагента в охлаждающие устройства;

- рециркуляция охлаждающего воздуха с интенсивным отводом теплоты от бедренной части полутуши, которая лимитирует процесс холодильной обработки;

- комплексное управление ТСЗ, выполняемое оператором ЭВМ параллельно материальному и информационному потокам.

Указанные принципы подтверждают выводы, сделанные на основе морфологического и информационного описаний, о необходимости широкого использования интенсивных способов замораживания мяса и соответствующих средств проведения производственных процессов. Однако, учитывая, что на протекание процесса холодильной обработки накладываются разного рода возмущения, потребовалась диагностика промышленных ТСЗ во время их активного функционирования.

II. ДИАГНОСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СНСТШ1 ЗАШРАШВАКИЯ НЯСА В ПОЛЭТУШАХ

Технологические системы замораживания мяса в полутушах относятся к детерминированно-стохастическим системам. Их особенность состоит в чевозможности повторить строгий эксперимент при групповом замораживали неидентичных полутуш. Поэтому диагностика ТСЗ основывается на результатах промышленных испытаний и не может проводиться в лаборатории условиях.

Испытания ТСЗ выявили следующие черты технологического процесса )амораживания парного мяса в полутушах:

- скорость загрузки полутуш с температурой £м - + 39°С и плот-юсть их размещения в камере с начальной температурой = - 33°С реа-.0 изменяют параметры охлаждающего воздуха и тепломассоперенос, кото-ые в расчетах оптимизации режима работы холодильной камеры принимают остоянными;

- передача теплоты от парного мяса к хладагенту (аммиаку) вызы-

вает бурное кипение его и значительное увеличение гидродинамического сопротивления в трубах. В результате аммиак перетекает не через воздухоохладители, которые должны снимать пиковые тепловые нагрузки, а через соседние воздухоохладители;

- влага, испарившаяся из мяса, вымораживается на отдельных воздухоохладителях неравномерно, что вызывает разную скорость циркуляции охлаждающего воздуха по длине камеры замораживания при одной и той же системе воздухораспределения;

- нестационарный тепломассообмен от полутуш к воздуху изменяет нагрузку на холодильную машину, степень заполнения аммиаком промежуточных сосудов, циркуляционных ресиверов и др.

Такие свойства характерны для ТСЗ в целом и не проявляются на уровне ее отдельных элементов. Поэтому ТСЗ следует отнести к классу "больших систем" (комплексов), для проектирования и правильной эксплуатации которых требуется выявление внутренней структуры, связей элементов друг с другом и особенностей функционирования.

Технологическая система замораживания проанализирована как совокупность статистически зависимых подсистем А, В и С (см. рис. 1).

Подсистема А - это группа полутуш, размещенных на подвесном пути с определенным зазором и поступающих с некоторой скоростью в зону холодильной обработки.

Подсистема В обеспечивает движение воздуха через живое сечение

между полутушами с технологически необходимой скоростью.

\

Подсистема С поддерживает требуемую температуру воздуха для замораживания полутуш за определенное время.

Стабильность отдельной подсистемы при двух возможных состояниях процессов по параметру, являющемуся значимым для состояния последующей подсистемы, оценивали по выражению:

1Ь ~ Штах ~ йО/Нтах»

(1)

- 21 -

где т\i.Hi - стабильность и энтропия 1-й подсистемы;

йщах - максимальное значение энтропии, равное 1 для бинарной

системы при полной неопределенности возможного исхода. Данные испытаний промышленных камер однофазного замораживания мяса показали (табл. 2), что стабильность подсистемы В относительно других подсистем наименьшая.

Таблица 2

Подсистема Выходной параметр подсистемы Статистические характеристики выходных параметров подсистем

XI ± Р1 «1 ТН

А Е/Хзгр,Т/Ч 8,3 6,3....10,3 0,8 0,71 0,29

В и, м/с 0,38 0,21...0,5-5 0,6 0,97 0,03

С °С -24,4 -20,6...-28,2 0,7 0,88 0,12

Поэтому совершенствование ТСЗ следует начинать с изыскания :пособов повышения стабильности подсистемы В, обеспечивающей отвод 'еплоты от замораживаемых полутуш. По данным испытаний установлена зорреляция между усушкой мяса (У) и емкостью камеры замораживания (Е) [а основе соотношения между продолжительностью загрузки камеры (хзгр) : общей продолжительностью цикла (-С), а также выбранной в качестве епера максимальной температуры воздуха в камере по окончании загрузи иЗГр) при данной температуре кипения аммиака (£0).

В качестве факторов-аргументов введены безразмерное время холо-ильной обработки т - с/х3,-р и безразмерный температурный симплекс - (1згр - - £о)> названный степенью отепления.

Методом регрессионного анализа получена следующая зависимость

У - А в0-5 .X0-25, (2)

где А - эмпирический коэффициент, равный 0,64.В соответствии с уравнением (2) и эмпирическими зависимостями 8 - 1 + С.ОЗЕ11-2 и т8Гр 0.07Е определена емкость камеры замораживания, е которой усушка мяса была бы минимальной. При этом установлено что под влиянием различных условий замораживания значение минимум; кривой У - Г (Е) сметается (рис. 6).

Если камера замораживания выполнена так, что для нее характерна значительная степень отепления, а следовательно, и повышенные температуры на начальной стадии замораживания, то наименьшие потери от усушки будут при емкости камеры примерно 18 т. ■

Если же технические средства позволяют поддерживать низкую температуру воздуха и малую степень отепления, то минимальные потери будут в камере емкостью 35 т. Цри этом экстремум У = Т (Е) слабо выражен, то есть емкость камеры перестает, быть определяющим показателем.

Количественно оценено влияние на У факторов виге учетом различий в их уровне варьирования. Так, фактор-аргумент г в 1.32 раза сильнее влияет на функцию У ,чем фактор-аргумент 8

Полученный результат и при-

I П И 31 « Я {( -71 М £ т

Рис. 6. Зависимость усушки мяса от емкости камеры при различных условиях замораживания: I, ¡2-вуч-вая загрузка при <с соответственно 4-0 и 30 ч; 3,4- - механизированная загрузка при Т соответственно 30 и 20 ч; 5- ручная загрузка при продолжительности замора- веденные выше утверждения поиво-живания 20 ч.

дят к выводу о том, что процесс отвода теплоты при заюпаживании полутуш должен стать первым ибъ-

ектом микроисследований, а модернизация соответствующей подсистемы В первым шагом в развитии ТСЗ.

III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕШЮМАССООБМЕНА ПРИ ФАЗОВОМ ПРЕВРАЩЕНИИ В СИСТЕМЕ "ЛЕД-ВОДА"

Ориентация на интенсификацию замораживания мяса в полутушах вызывает необходимость выявить интегрирующий параметр процесса, который позволил бы судить о скорости уменьшения незамороженной массы в теле в соответствии с его формой , свойствами и спецификой теплообмена на границе фронта фазового превращения.

В работе ставилась и решалась задача о массе тела М, которая еще не замерзла к данному моменту времени, а также о продолжительности ее полного замораживания т. Перед началом процесса незамерзшая масса М0 равна общей массе продукта, при замораживании ее текущее значение -Aft, а в конце замораживания - Aft - 0.

Согласно уравнению теплового баланса:

- àldM - qFdx, (3)

где Ai - разность удельных энтальпий тела до и после замораживания, Дж/кг;

q - интенсивность теплообмена на подвижной границе замораживания, Вт/м2-,

F - плошаль поверхности фронта замораживания, разделяющей замороженную и незамороженную части тела, м2. После преобразования уравнение (3) примет вид Ait X х

п dM

,2/3

qdX: ЗМХ1/3 - ЗМ01/3 - - А

Мр

2/3

qdx,

(4)

о

где ф - F/V2/3 - коэффициент формы, остается постоянным для тела данной фермы;

V - объем незамороженной массы продукта плотностью р ;

А - ер/(Л1р2/3).

Предлагаемый метод определения продолжительности замораживания (по уменьшению незамороженной массы тела) состоит в решении уравнения (4) для найденной в эксперименте граничной функции, описывающей изменение д во времени на границе фронта фазового перехода).

Решение задачи основано на представлении о физическом подобии процессов замораживания и размораживания. Для оценки влияния уменьшающейся поверхности границы фазового перехода решена модельная задача для случая, когда "исчезающая фаза" находится в твердом состоянии и имеет четкие очертания.

Первый этап - плавление тела в собственном расплаве. Здесь "отработанный" поверхностный слой не требует отделения и естественным образом становится окружающей средой. Объектом исследования выбрали ледяные модели правильной геометрической формы (шар, цилиндр, конус, пластина), плавящиеся в воде при ее свободном движении. Аналитическое решение задачи и экспериментальные исследования привели к выводу, что в условиях уменьшающихся размеров тела коэффициент теплоотдачи <х и плотность теплового потока g на границе раздела (лед-вода) постоянны: не изменяются во времени (рис. 7).

Второй этап - плавление ледяных и снежных моделей в условиях, когда "отработанный" слой (вода) остается у поверхности тела и не смешивается с окружающей средой. Для этих опытов в качестве размораживающей среды выбран пар лладагента R12, конденсирующийся на ледяных образцах. Результаты аналитического и экспериментального исследований показали, что и в данном случае а - const и q - const.

На третьей этапе размораживали Слот акчоусовидкой кильки с вмонтированными тепломерами и термопарами: Преимущество кильки как

Ю 20 30 40

мин

объекта исследований состоит в легкости отделения размороженного слоя от неразмороден-ного остатка, что позволило ocvaiecTEMTb проверку теплового баланса и изучить кинетику уменьшения незамороженной части блока.

Блоки размораживали разными способами: в неподвижной воде и при барботировании ее воздухом, орошением водой, погружением в раствор поваренной соли, в конденсирующемся паре под вакуумом, ь кристаллизирующейся воде, а также электрическим током. Обобщение результатов проведенных исследований привело к еыводу, что монолитное ледяное тело при плавлении и ледяная структура в замороженной рыбе при размораживании ведут с^бя аналогично.

На заключительном этапе исследований выполнена серия экспериментов по замораживанию имитатора мяса, подтвердивших единство кинетики теплообмена процессов замораживания и размораживания.

Таким образом, с помощью модельных экспериментов доказана возможность интегрирования правой части уравнения (4). Окончательно0 решение задачи предстает в виде следующего выражения:

Рис. 7. Изменение зо времени массы (I) таящего з воде (П°С) ледяного тара, подводимого теплового потока ('¿) и плотности теплового пото:са, отнесенные к текущей (3) и к первоначальной (4) площади поверхности шара

Мхиз - Мо1/3 - яге, (5)

где т - параметр, характеризующий скорость уменьшения незамороженной части в замораживаемом теле, равный ч>д/(ЗДг'р2/3), кг1/3 /с.

Уравнение (5) в координатах Мт1/3 - г изображается прямой, тангенс угла наклона которой равен т. Отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, определяет продолжительность замораживания.

В результате многочисленных опытов по замораживанию свиных и говяжьих полутуш доказано,что точки, соответствующе измеренным значениям незамороженной массы продукта Мг, в координатах Мх1/3 - х располагаются на прямой (рис. 8).

Можно указать ряд свойств параметра т :

- параметр т не зависит от времени и одинаков для каждой незамороженной части в замораживаемом теле любой формы;

- параметр т зависит от способа замораживания (граничных условий);

- для определения т достаточно двух измерений Мх\ и Мх% в одном замораживаемом теле;

- кривые изменения их для замораживаемых в одинаковых условиях полутуш разных размеров в координатах Мхг/г - х обращаются в параллельные прямые с одинаковым угловым коэффициентом, равным к;

- при заданных параметрах окружающей среды параметр ш характеризует скорость замораживания всей полутупш как одного целого. В этом заключается его преимущество перед линейной скоростью замораживания, различной для разных частей полутуш и не постоянной во времени.

Для однофазного заморажинания мяса в полутушах влияние и и £ на кинетику процесса учитывается эмпирической зависимостью для параметра т (кг1/3/<5 , найденной экспериментально:

(6)

где В - эмпирический коэффициент, равный 6,58*10"® ;

и - скорость воздуха у бедренной части полутуш, м/с;

Ь - температура охлаждающего воздуха в зоне обработки, °С (по абсолютной величине).

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ЗАМОРАЖИВАНИЯ

РАЗМОРАЖИВАНИЯ

К.» г +

V - \ ч

а га ъо /га

м га т т

Линии замораживания имитатора мяса (температура воздуха -25°С, скорость 5,6 м/с):

1 - в форме из пенопласта;

2 - в металлической форме

Линии захоранивания свиных (а) и гоаяньих (б, в) полу туш

Линии погружного размораживания олокоа кильки: I - подпрессованные блоки в условиях свободной конвекции; '¿- - подпрессованные блоки при барботаже; Ъ - не-подпрессованные олоки ■ при барботаже

Лркг

ж

V зз 50 о, г, ни*

Линия размораживания блока кильки орошением водой

1,0 0,5

О

/3 • 1 ■> 7

Д 1

\ о *

• *ч Ц < N

\ 1

Линии размораживания олоков кильки в неподвижном (I) и саботируемом (П) тузлуке -при. концентрации поваренной соли (в %):

1 - 01 г- 7;_а - 10; 4 -15; о - '¿0; ь - ¿о .

Рас. 8. Кинетические закономерности ¡кивания мяса и размораживания рыбы

при различных способах замора-

На основе полученных зависимостей разработана методика расчета ТСЗ,которая взаимоувязывает продолжительность замораживания отдельной пролутуши

Мо1/3 Ио1/3

т--------(7)

т Ви°-51°-66

и установленную экспериментально связь степени загрузки камеры полутушами с параметрами охлаждающего воздуха

НЕ/Тзгр ; Ус?'4

I . ^----, (8)

- ^о Го

где Ь - эмпирический коэффициент, равный 2,4*104.

Ко - объемный расход воздуха, подаваемого в зону обработки, м3/с;

Ко - коэффициент теплопередачи воздухоохладителей, Вт/(м2*К);

Г0 - площадь поверхности воздухоохладителей, м2.

Теплота, выделяемая при групповом замораживании полутуш в последовательных интервалах времени Дт, составит

а - Мо-(Мо1/3- пйх)3Ш1, (9)

где л - число полутуш, загружаемых за интервал времени Дт.

Потери мяса от усушки определяются по количеству влаги, ассимилированной воздухом при прохождении его через ряды полутуш:

И - О/еь, (10)

где ъъ - тегшовлажностное отношение условного процесса, который в 1,й-диаграмме изображается прямой линией, касательной к линии насыщенного воздуха (<р- 1) в точке с температурой воздуха Ь в зоне обработки. Анализ соотношений (9) и. (10) приводит к следующим заключениям:

- влияние на усушку мяса температуры охлаждающего воздуха относительно других факторов наибольшее;

- суммарная усушка определяется тепловыделениями от мяса в зоне

обработки и внешними факторами, изменяющими Ь, и не зависит от очередности их действия.

В производственных условиях при подключении различных потребителей холода или возникновении неисправностей температура воздуха с в камере замораживания колеблется, изменяя на каждом этапе обработки выделяемую полутушами теплоту <2 и поглощательную способность воздуха 1/£Ь.

Рис. 9. Изменение температуры воздуха (I) и усушки (2) мяса говядины (а, б) и свинины (в) в камере однофазного замораживания: а - М. = 102,6 кг, ц= 1,1 м/с; б- и0 = 73,9 кг, и = 0,7 и/с; в- Ип =86,9 кг, и = 0,4 и/с (3 - опыт, 4 - расчет по предлагаемой методике)

Даже непродолжительное повышение температуры усиливает потери влаги из мяса, которая не восстанавливается при последующем снижении температуры воздуха. Следовательно, никакое осреднение величины г. , как практикуется при традиционных расчетах, не может отразить действи-

тельной картины процесса. Решение можно найти только путем непосредственного измерения температуры воздуха в зоне обработки. Такой вывод подтверждают данные по усушке мяса, рассчитанные по формулам (9) и (10) с учетом Ь, и и Ма , которые достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными (рис. 9). Максимальная величина предельной относительной ошибки не превышает 15 %.

Обобщая этот раздел исследований, можно сделать вывод, что разработанная математическая модель адекватно описывает процесс замораживания мяса в полутушах , позволяет моделировать ' процессы тепло-массопереноса и определять рациональные режимы обработки.

1У. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Предложены основные принципы технических решений ТСЭ, в частности :

- зонирование территории низкотемпературной обработки полутуш;

- децентрализация подачи хладагента в воздухоохладители камеры однофазного замораживания мяса;

-• рециркуляция охлаждающего воздуха;

- интенсивный отвод теплоты от бедренной части полутуш.

Компоновочные решения камер замораживания с применением принципа

зонирования разработаны в двух модификациях.

В первой модификации часть камеры (на участке серпантинного конвейера до первого поворота) выделена в отдельный туннель (зона подмораживания) путем установки облегченной перегородки между первой и второй 'нитками подвесного пути.. При таком решении холодный воздух, подаваемый в туннель, после контакта с полутушами последовательно увлажняется и не сразу отводится в воздухоохладитель, а движется вдоль туннеля с возрастающей скоростью в направлении перемещения полутуш. Из туннеля полутущи с подмороженным поверхностным слоем поступают кг

последующие ветви серпантинного' ксч^ейера для отвода теплоты на его рой стадии замораживаю! 1.

Новизна предложенных .способа и конструкции камеры защищена тремя авторскими свидетельствами (а.с. 1330428, 1195610, 1507284).

Внедрение данных технических решений на холодильнике Житомирского шсоксч!*кннта позволило сократить продолжительность замораживания мяса с 48 до 20... 22 ч и снизить усушку мята с 2,2. до 1,3. ..1,5 /„.

!?гсрзл мсжй^^Лш ¡^«усматривает первичное замораживание мяса в камере периодического действия в течение 9...12 ч с последующей перегрузкой его в буферную камеру (зона домораживания), где осуществляются домораживание и накопление продукта. Поскольку морозильный цех состоит из нескольких камер, то сокращение времени работы каждой камеры замораживания с 27. . .30 ч, как предусмотрено технологической иисгрукакои, до у... к; ч позволяет дополнительно еагругить к*

ПС' крайней мере, одну камеру,что уъеличива&г оборачивав <оп: ка

и поььЕиает прсигьолит&яьнссть морогильчогс цеха в целом Кроме того, сокращается уд^л1 ный расход гаектроуиергии на выработку холода за счет исключения прсиесса аккумулирования холода строительными консуукт'Лг- ьымй ••■лемоьт&ми камеры ,1ри длмеражиьании мяса.

Пс данному с;;ссо0у аамораживанкя мяса в полутушах (а.с. 1739043) провидится рс':с::стр',"-"1""Я морозильного цеха Чебоксарского мнссксмбика-

Исследованы централизованная и децентрализованная системы охлаждения камеры однофазного замораживания мяса, ь задачу исследования входило изучение работы воздухоохладителей, расположенных ь различных сечениях камеры, гидравлического сопротивления парожидкоитной аммиачной магистрали, а также степень неравномерности замораживания полуг/ш е генах, под отдельными воздухоохладителями.

Сравнительные испытания системы охлаждения камеры замора-кивания N 43 Житомирского мясокомбината до и после модернизации позволили сделать вывод, что внедренная децентрализованная подача аммиака по

г-образ ной схеме в равноотстоящие воздухоохладители обеспечивает надежность его распределения, небольшие перепады давления в аммиачных магистралях и более низкие температуры воздуха в камере замораживания (а.с. 1330428).

На лабораторных стендах на моделях (масштаб 1:15) исследована аэродинамика камер трех типов - с поперечно-точной циркуляцией воздуха, с последовательно-спутным движением воздуха, с воздушным датированием. Выявлены характерные аэродинамические особенности циркуляционных потоков, в частности, существование горизонтального байпаса -прохождение значительной части рабочей среды через канал между концами полутуш и полом (рис. 10, а). Омывание байпасным потоком с более низкой температурой тонкой, лопаточной части подутущ вызывает ее пе-ремораживание.

разработана система с двухконтурной циркуляцией воздуха (положи-

а) б)

Рис. 10. Схема движения потоков в системе базовой структуры (а) и двухконтурной циркуляции воздуха (б)

тельное'решение по заявке N 4383146), а также обдув бедренной и лопаточной частей полутуш воздухом разных параметров (положительное решение пп заявке N 5035186). Слияние двух контуров циркуляции после двояковогнутого настенного обтекателя (рис. 10, б) обеспечивает максимальную скорость воздуха на уровне бедренных частей полутуш и более равномерное распределение скоростей по ниткам подвесного пути. На лопаточную часть направляют воздух с более высокой температурой и влажностью и с меньшей скоростью, что предотвращает перемораживание и снижает усушку мяса.

Как показали данные промышленных испытаний камер с двухконтурной циркуляцией воздуха, стабильность подсистемы В. увеличилась с 0,03 до 0,29.

Накопленные к настоящему времени данные по интенсивному замораживанию мяса в полутушах указывают на общую тенденцию: увеличение пасхода воздуха, циркулирующего через зону обработки полутуш, стабилизирует работу ТСЭ. При рециркуляции эффект становится более значительным. Так, в традиционных камерах базовой структуры при увеличении расхода воздуха через зону обра-

пературы воздуха в"камере на усушку (У) ботки с 30*103 до 170*10эм3/ч при однофазном замораживании мяса скота, поступающего с откормочных кош- рассеяние (среднеквадратичное лексов (I) и из обычных хозяйств (2)

на Житомирский (ж), Жлобинскии (□), отклонение) величины усушки Калинковичский (р ), Омский «►), Полоцкий (о). Саранский (Д) мясокомбинаты и полутуш за период, равный ци-Георгиевский (V) мясоптицекомбинат

клу замораживания, уменьшается с 0,41 до 0,29, а в каме-

У.%

3, О

2, О 1,58 1,0

1 / 1 а

□ /с / ь' /

— V с * Ь.-з- \ 2

,-30 -25 -20 -15 t,nc

>

Рис. П. Влияние средней за цикл тем-

pax с двухконтурной циркуляцией - соответственно с 0,22 до 0,18.

При приближении к рекомендованной (в разделе 1) температуре охлаждающего воздуха (минус Зб°С) усушка мяса снижается, стремясь к некоторому постоянному значению (рис. 11). Причем различие в усушке мяса скота стойлового и -пастбищного содержания нивелируется.

Таким образом, выбором температуры и скорости охлаждающего воздуха можно направленно регулировать усушку и существенно снизить диапазон неоднозначности возможного состояния ТСЗ. При этом общий уровень целостности и устойчивости ТСЗ может быть значительно повышен.

Y. ВНЕДРЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли свое отражение в методиках расчета и рекомендациях пс проектированию, что способствовало успешным разработкам высокоэффективных ТСЗ.

Внедрение интенсивных технологий замораживания естественно требует дополнительных капитальных и энергетических затрат и оправдывается только в том случае, если снижается усушка мяса или увеличивается производительность камеры. Такое сопоставление (рис. 12) выполнено для четырех типов ТСЗ, в том числе двух ПП и IY) пс разработанным конструктивным и проектным решениям.

Реконструированы как большие , так и малые камеры замораживания мясокомбинатов в гг. Готня, Каменка, Липецк, Чебоксары (емкость камеры 45 т), Житомир (40 т), Димитровград, Тихорецк (25 т), Ужгород (11,5 т), Скопин (7,6 т). До реконструкции камер продолжительность замораживания мяса в них составляла 36...48 ч, потери от усушки были на 25 % выше нормативных. После реконструкции продолжительность замораживания сократилась до 17...20 ч, усушка мяса стала на 20...30% ниже нормативной при работе камер замораживания в режиме суточной обо-

210.79 руб/т

197.25 стб/т 193,93

208,56

Ж

1,20 4.03

195,36

1.00 0,89 1,33

177.5 .

ШЛ

дв/т

г

175,56

V 6

0,78 0,09

шш

- издержки из-за потерь мяса от усувя

- затраты на электроэнергии

амортизация и текущий ремонт

- приведенные капитальные затраты I рукцию.

I реконст-

Рис. 12. Сопоставление суммарных приведенных затрат (в ценах 1Уа0 г.) при замораливании мяса в камерах, оснащенных различными системами:

1-е попеоечло-точным зоздухораспоэделекпем (решение Пшроыясо);

Л - с последовательно-спуткшл воздухораспределением (мясокомбинат в 1^алш:кози.чах);

Щ - с воздушным дупированием (мясокомбинат в .Житомире) ;

1У - с цвухконтурной циргсу-яцлеЛ (мясокомбинат в ди-;.з:трозгрьде)

рачиваемости. Расчетный экономический эффект, частично подтвержденный работой предприятий, составляет (в ценах 1990 г.) 18 млн. руб/год.

В выполненной серии работ нашли отражение все основные положении разработанной методологии: необходимость интенсификации процессов холодильной обработки, возможность описания кинетики замораживания полутуш предложенными уравнениями, эффективность сегментации материального потока (зонирования и рециркуляции воздуха в камерах замораживания Выделены как отдельные подсистемы пять основных функциональных структур ТСЭ и оценена их приоритеты. Рпстедшие четыре го-

1

да промышленной эксплуатации ТСЗ с двухконтуркой циркуляцией воздуха подтвердили принципиальную правильность выдвинутых положений, использованных при техническом перевооружении камер замораживания мясокомбинатов.

Сбзданная информационно-поисковая система ЛТФП по технике и технологии холодильной обработки пищевых продуктов внедрена во Всероссийском научно-исследовательском институте холодильной промышленности (бывший ВНИКТИхолодпром) (г. Москва). Указанная система соответствует разработанным моделям и включает в себя: базу данных пер-вичйых документов, записанных на картах с цифровым кодом смыслового содержания информационного документа; техническое обеспечение на базе ЭВМ (ЕС типа СМ-4), содержащее поисковые образы технических решений и представляющее в оперативном режиме текстовую и графическую информацию в-соответствии с запросом пользователя.

Экономический эффект от внедрения системы ЛТФП составляет в (ценах 1990 г) 480 тыс. рублей за счет сокращения трудозатрат на поиск технических решений в области холодильной обработки пищевых продуктов и сокращения сроков разработки ресурсосберегающих холодиль-но-технологических систем,

ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические и экспериментальные основы создания высокоэффективных технологических систем замораживания мяса в полутушах, имеющие важное народнохозяйственное значение.

2. На основе комплексного изучения системы "мясо в полутушах -технические средства камеры замораживания" выяснен механизм их взаимодействия. Показано, что ТСЗ относится к классу "больших систем" (комплексов), сохраняющих целенаправленное функционирование до тех пор, пока включенность тех или иных элементов и связи между ними не

- 37 -

претерпевают существенных изменений.

3. На базе разработанных в диссертации морфологической, функциональной и информационной моделей получила дальнейшее развитие концепция о роли полутуш в процессе холодильной обработки. Полутуши выполняют различные функции на разных этапах обработки: формируют живое сечение рабочей зоны в системе циркуляции воздуха, создают тепловую (пиковую) нагрузку на камерное и компрессорное оборудование, предопределяют время оттаивания воздухоохладителей и др.

4. На основе системного анализа и синтеза холодильных технологий /становлены наилучшие средства реализации технологических функций, ■¡оказано, что в ТСЗ необходимо иметь, по крайней мере,пять подсистем, ;реди которых наименее организованной, требующей первоочередной модернизации, является подсистема циркуляции рабочей среды, обеспечива-)щая отвод теплоты от полу туш.

5. Аналитически обосновано и экспериментально доказано, что в системе "лед-вода" при замораживании /размораживании плотность тепло-ого потока на границе фронта фазового превращения при заданных пара-етрах внешней среды сохраняет свою стабильность, и изменение массы исчезающей фазы" описывается законом "степени 1/3".

6. Сформулированы принципы и рассмотрены научно-практические спекты замораживания мяса в полутушах в условиях, соответствующих эхнологической практике переработки мясного сырья.

Отличительной особенностью развития холодильных технологий являйся изменение основных принципов традиционных стратегий произ-здства: вместо ориентации на мощность ТСЗ - ориентация на управление >током мясных полутуш, вместо отвода теплоты камерным холодильным ¡орудованием - отвод теплоты от мяса, вместо организации движения :адагента и охлаждающего воздуха - развитие структуры ТСЗ.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена воз-жность направленного регулирования усушки при замораживании мяса в

полутушах.

Данные исследования камер замораживания свидетельствуют, что в зависимости от конкретных проектных решений существует оптимальная емкость камеры (около 20 т), обеспечивающая минимум потерь мяса от усушки.

Исследована усушка мяса говядины и показано влияние способа откорма скота на испарительные потери при замораживании. Мясо скота промкоплексного содержания отличается повышенной усушкой, которая может нивелироваться (по отношению к усушке мяса скота пастбищного содержания) под действием температуры охлаждающего воздуха.

Получены новые данные о влиянии расхода охлаждающего воздуха на разброс (среднеквадратичное отклонение) величины усушки полутуш за период, равный циклу замораживания.

Предложены рекомендации по направленному регулированию усушки мяса при однофазном замораживании.

8. Сформулированы принципы и усовершенствована методология проектирования ТСЗ для создания ряда технологий.

На основе комплексного исследования гидродинамических и тепло-массообменных процессов при замораживании полутуш обоснована целесообразность: зонирования территории низкотемпературной обработки, децентрализованной подачи хладагента в воздухоохладители камеры, рециркуляции охлаждающего воздуха, обработки различных частей полутуш (бедро, лопатка) воздухом разных параметров.

Разработаны способы, рекомендованы рациональные режимы процесса и предложен алгоритм расчета камер замораживания мяса в полутушах.

9. В рамках развиваемой в диссертации научной концепции и обобщения полученных при ее выполнении экспериментальных данных сформулированы научно-практические рекомендации по созданию высокоэффективных технологических систем для замораживания мяса в полутушах.

Создана информационная база данных холодильных технологий, которая позволяет на основе разработанной классификации технологий опре-

делять наиболее важные направления и пути решения проблемы ресурсосбережения при холодильной обработке пищевых продуктов и тем самым снижать затраты на W10KF.

На уровне изобретений предложено восемь технико-технологических решений, реализованных в частных технологиях.

Рекомендации по проектированию и применению систем интенсивного замораживания мяса, а также методика ж расчета прошли производственную проверку и включены в утвержденную нормативно-техническую документацию на производство замороженного мяса в полутушах.

В настоящее время системы с двухконтурной циркуляцией для интенсивного замораживания мяса находятся в промышленной эксплуатации на девяти мясокомбинатах F^ и обеспечивают существенный прирост эффективности, недостижимый иными средствами: производительность камер ?а-лораживания увеличивается в 1,5 раза, на 1 т замороженного мяса сберегается 1.5...3 кг мяса, отклонение в усушке мясных полутуш от номи-1ального значения снижается на 40...50 %, при этом камеры работают е режиме суточной оборачиваемости. Для мясокомбината производственной ющностью 100 т замороженного мяса в сутки будет сбережено 75000 кг <яса в год, а суммарный экономический эффект от применения этой системы составит в зависимости от оптовой цены мяса 500-900 тыс.рублей в ценах 1990г.).

Основные научные результаты изложены в следующих работах:

1. Стефановский В.М. Теплоотдача при таянии льда в условиях свободной конвекции //Тр. координационных совещаний ВНИИГ им. Б.Е. Веде- ' енева. - Л.. 1976. Вып.III. - С. 35-40.

2. Стефановский В.М., Стефановская Н.В. Плавление льда в паре под акуумом //Рыбное хозяйство, 1976. N 6. - С. 72-74.

3. Стефановский Б.М. Кинетика размораживания рыбы е паре под ва-уумом //Изв. вузов, Пищевая технология, 1S77, N 6. - С. 102-104.

4. Стефановский В.М. Аналитическое и экспериментальное исследова-ке теплоотдачи при плавлении льда конденсирующимся паром // Тез.

- 40 - .

докл. всео. конф. "Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильной и криогенной техники и кондиционирования воздуха". - Ташкент, 1977. - С. 49-50.

5. Стефановский В.М. Влияние естественного газовыделения при плавлении на отрыв пограничного слоя //Инж.-физ. журнал, 1977, Т. 32, N4. - С. 740-742.

6. Ерофеев A.B., Стефановский В.М., Щербаков А.З. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при плавлении градиентным методом //Тр. Калининградского технич. ин-та рыбной промышленности к хозяйства, 1978, вып. 76. - С. 12-17.

7. Стефановский В.М. Сравнительное размораживание брикетов мелкой рыбы в паровакуумном я оросительном дефростерах //ЯЫбное хозяйство. 1978, N 8. - С. 74-75.

8. Стефановский В.М. Инженерный метод расчета продолжительности размораживания рыбы //Изв. вузов, Пищевая технология. 1980, N 2. - С. 109-112.

9. Стефановский В.М. Исследование влияния способов размораживания на изменение массы рыбы //Рыбное хозяйство. 1981, N 12. - С. 53-55.

1Q. Процессы и аппараты рыбообрабатывающих производств /Н.В. Сте-фановская, В.М. Стефановский, В.И. Карпов, A.A. Зорин, В.В. Попов, И.И. Багаутдинов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 240 с.

11. Стефановский В.М. Анализ работы камер однофазного замораживания мяса //Сб. науч. тр. ВНИКТИхолодпрома "Экономия сырьевых и энергетических ресурсов при холодильной обработке, хранении и транспортировке пищевых продуктов". - М., 1985. - С. 3-7.

12. Боков А.Е., Стефановский В.М. Влияние вида откорма скота и температуры воздуха в камере на усушку мяса при однофазном замораживании //Холодильная техника. 1986, N 7. - С. 12-15.

13. Стефановский В.М. Оценка уровня усушки при замораживании парного мяса на основе многофакторной регрессионной модели //Холодильная техника. 1986, N 12. - С. 6-13.

14. Стефановский Б.М. Обобщение результатов экспериментальных исследований усушки при однофазном замораживании мяса //Сб. науч. тр. ВНЙКТИхсдопрома "Технология холодильной обработки и хранения пищевых продуктов". - М., 1986. - С. 3-12.

15. Стефановский В.М. Кинетический метод расчета продолжительности замораживания мяса //Тез. докл. всес. науч.-практ. конф. "Искусстрряннй холод в отраслях агропромышленного комплекса". - М.,

. - tv. о J .

16. Стефановский В.М., Боков А.Е. Рекомендации по проектированию камер интенсивного замораживания мяса на предприятиях мясной промышленности. - М.: ВНЙКТИхолодпром, 1987. - 39 с.

17. Стефановский В.М. Размораживание рыбы. - М.: Агропромиздат, 1987. - 190 с.

18. A.c. 1330428 (СССР). Способ термической обработки мяса в полутушах /Фридман Б.А., Стефановский В.М., Попов В.П., Назаровский А.Л.// ЕИ, 1987, N 30.

19. A.c. 1330429 (СССР). Устройство для термообработки мясных по-лутуш /Стефановский В.М., Боков А.Е., Щербаков И.А.// БИ, 1987, N 30.

20. Скарбовийчук A.M., Плотникова O.B., Стефановский В.М., Поляков В.К. Тепломассообмен при замораживании мяса в полутушах //Холодильная техника. 1988, N 3. - С. 14-17.

21. Стефановский Б.М., Стефановская Н.В. •Морфологическая модель технологических процессов, сокращающих усушку пищевых продуктов при холодильной обработке //Сб. науч. . тр. НЮ "Агрохододпрем" "Прогрессивная холодильная технология пищевых продуктов ". - М., 1988. -С. 123-130.

22. Стефановский В.М., Тимофеева Н.М., Стефановская Н.В. Экспертные оценки тенденций развития ресурсосберегающих холодильных технологий //Сб. науч. тр. НПО "Агрохолодпром" "Прогрессивная технология пищевых продуктов". - М., 1988. - С. 111-118.

23. Стефановский.В.М., Назаровский А.Л., Купцов П.В. Пути сокра-

щения усушки мяса //Холодильная техника. 1938, N 3. - С. 5-7.

24. Стефановский В.М., Юрьев С.Н., Еоков А.Е., Ростроса С.Н. Анализ эффективности систем замораживания парного мяса //Холодильная техника. 1983, N 11. - С. 13-15.

25. Стефановский В.М., Боков А.Е., Юрьев С.Н., ростроса С.Н. Рекомендации по проектированию и применению системы интенсивного замораживания парного мяса в камерах с принудительной рециркуляцией воздуха в грузовом объеме. - М.: ВНЖГИхолопром, 1988. - 18 с.

25. A.c. 1400586 (СССР). Устройство для термообработки мясных туш /Стефановский В.М.// БИ 1988, N 21.

27. Стефановский В.М. Новый метод расчета продолжительности замораживания мяса //Холодильная техника. 1989, N 11. - С. 15-19.

28. Стефановскии В.М., Тимофеева Н.М., Стефановская Н.В. Сокращение усушки мяса при холодильной обработке. - М.: ВНИИПИ, 1989. - 64 с.

29. A.c. 1495610 (СССР). Способ холодильной обработки мясных полу-туш /Стефановский В.М.// БИ, 1989, N 27.

30. A.c. 1507284 (СССР). Устройство для холодильной обработку мясных полутуш /Скорбовийчук A.M., Стефановский В.М., Плотникова О.В.// БИ, 1989, N 34.

31. Стефановский В.М. Расчет температуры воздуха при однофазном замораживании мяса //Холодильная техника. 1990, N 5. - С.

18-21.

32. Stefanovsky V.M., Stefanovskaya N.V. Reduction of meat Shrinkage during refrigerated Treatment: Problems, Searches, Solutions, - Dresden.: I.I.R, Commissions C2, 1990. - P. 585-593.

33. Стефановский В.М. Усушка мяса при холодильной обработке: проблемы, пути сокращения, приоритеты //Холодильная техника. 1990, N 12. - С. 34-38.

34. Стефановский В.М., Боков А.Е., Юрьев С.Н. Определение тепловой нагрузки в процессе однофазного замораживания мяса //Холодильная

техника. 1991, N 7. - С. 21-22.

35. Стефановский В.М., Боков А.Е. Юрьев С.Н., Ростроса С.Н. Рекомендации по проектированию и методика расчета морозильных камер с двухконтурной циркуляцией воздуха. - М.: НПО "Агрохолодпром", 1991. -

79 с.

36. Стефановский В.М. Замораживание мяса: анализ холодильно-техно логической системы и тепловлажностных процессов //Международный агропромышленный .т/рнзл. 1331, N 5. - 0. 85-87.

37. Стефановский В.М. Технологическая система замораживания мяса в полутутах: структура, функционирование, пути развития //Холодильная техника. 1991, N 11. - С. 16-13.