автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка технических средств для интенсификации процесса разрушения брикетов рыбы электрогидравлическим ударом

На правах рукописи

005058310

Бычихин Олег Викторович

Разработка технических средств для интенсификации процесса разрушения брикетов рыбы электрогидравлическим ударом

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

1 6 МАЙ 2013

005058310

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Антуфьев В.Т.

доктор технических наук, профессор Бабакин Б.С.

кандидат технических наук Крысин А.Г.

ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «22» 2013г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9.Тел./факс (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 2013г.

Ученый секретарь д

диссертационного совета, У'} £.

доктор технических наук, профессор / f f0i/ B.C. Колодязная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время происходит структурная перестройка рыбообрабатывающего комплекса Российской Федерации. В результате этого, значительно выросла доля предприятий малого и среднего бизнеса. В связи с ростом цен на энергоносители существенно возрос спрос и наметился переход на ресурсосберегающие технологии и оборудование. В отличие от населения Европы, которое на 90% потребляет рыбу в охлажденном состоянии и лишь на 10% - в замороженном, в России превалирует продукция из замороженной рыбы, доля которой составляет более 70%.

Анализ направлений исследований, связанных с оптимизацией процесса размораживания брикетов рыбы показывает, что их надо подвергнуть воздействию тепловой энергии определенным по времени профилем интенсивности. Значительный вклад в развитие теории размораживания и создание новых видов размораживающих установок внесли В.М. Стефановский, Н. Н. Мизерецкий, И.А.Рогов, Ю.А Фатыхов, В.Н. Эрлихман,

A.A. Шалак, Г.Б. Чижов, H.A. Головкин, И.Г. Алямовский, H.A. Воскресенский, В.П. Зайцев, В.В. Станкович, И.И. Горбатов, Н.П. Янушкин,

B.А. Попов, А.Г.Ханжин, И.Ю. Алексанян и др. Однако, независимо от способа передачи энергии, известно, что при непосредственном воздействии тепловой энергии на поверхность замороженного сырья тепло распространяется вглубь брикета постепенно, слой за слоем. Очевидно, что для того, чтобы в толще замороженного брикета температура поднялась до необходимой -1,5 - -1°С, на его поверхности определенный период времени должна будет выдерживаться существенно более высокая температура. При этом, чем дольше проводится процесс размораживания, тем больше структура тканей будет отличаться по качеству от первоначального состояния. Быстрое размораживание позволяет в наилучшей степени сохранить первоначальное состояние структуры тканей. Поэтому длительность размораживания становится одним из важнейших показателей процесса, характеризующих эффективность самого способа.

Для решения задач, связанных с исключением зон перегрева в брикетах рыбы, особенно при непрерывном размораживании, требуется подводить тепло к каждой тушке рыбы, что резко увеличивает их контакт с теплоносителем. Автор видит решение в предварительном разрушении брикета рыбы электрогидравлическим ударом, который широко применяется в промышленности.

До настоящего времени научных работ по применению электрогидравлического удара для разделения замороженных брикетов рыбы на тушки не обнаружено. Тема работы является актуальной и современной.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработать способ и устройство для разрушения электрогидравлическим ударом замороженного брикета рыбы при подготовке к размораживанию.

В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи:

Провести анализ существующих процессов и . оборудования для размораживания рыбы, тенденций их развития.

\

А/л

Предложить методику расчета давления ударной волны в воде, достаточного для разрушения замороженного брикета рыбы на тушки.

На экспериментальной установке исследовать эффективность элекгрогидравлического удара на стадии подготовки брикета рыбы к размораживанию.

Выбрать тип и рациональные параметры элекгрогидравлической установки.

Разработать инженерную методику расчета установок с применением элекгрогидравлического удара для разрушения замороженных брикетов рыбы без снижения потребительских свойств продукта.

Разработать способ и устройство разрушения замороженного брикета рыбы на тушки с применением электрогидравлического удара.

Разработать технические условия на производство установок для разрушения брикетов замороженной рыбы.

Научная новизна.

Предложен новый способ и устройство для подготовки к размораживанию брикетов рыбы, позволяющий в 12-14 раз сократить время размораживания брикета рыбы.

Разработана математическая модель расчета давления на нижнюю поверхность замороженного брикета рыбы для цилиндрической разрядной камеры необходимого для его разрушения.

Определены рациональные параметры давления ударной волны для разрушения замороженного брикета на тушки при подготовке к размораживанию.

Показано, что предложенный способ не ухудшает потребительские свойства свежей рыбы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Выполнены расчеты и предложена конструкция для выпуска опытно-промышленного образца устройства для размораживания рыбы с применением электрогидравлического удара.

Разработаны технические условия и инженерные методики расчета промышленных установок, позволяющие прогнозировать скорость размораживания сырья вне зависимости от размеров брикетов рыбы.

На основании комплекса экспериментально-теоретических исследований показана целесообразность предварительного разрушения замороженного брикета рыбы на тушки при подготовке к размораживанию.

Результаты работы использованы в учебном процессе подготовки студентов СПбНИУ ИТМО по специальности «Машины и аппараты пищевых производств» и слушателей Военной академии тыла и транспорта по специальности «Техническое обеспечение продовольственной службы».

Новизна технических решений подтверждена положительным решением ФГБУ «ФИПС» о выдаче патента на изобретение (заявка № 2011130124 от 19.07.2011).

На защиту выносятся:

Способ и устройство механического разделения брикета замороженной рыбы на тушки с применением электрогидравлического удара.

Методика расчета давления ударной волны в воде, достаточного для разрушения брикета замороженной рыбы на тушки.

Зависимости эффективности разрушения брикета замороженной рыбы от параметров разрядного контура, которые могут быть использованы на практике при проектировании и эксплуатации электрогидравлических установок для пищевой промышленности.

Технические решения конструкции установки для механического разделения брикетов на тушки и ускоренного размораживания рыбного сырья.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях СПбГУНиПТ (2006-2011 г), на 34 научно-практической конференции . профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников университета, на Научно-технической конференции с международным участием «Холод-2011. Проэкология и энергосбережение» и на XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (2013г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке НИР на тему: «Проект эффективной системы дефростации рыбы» для рыбообрабатывающего комбината в г. Сланцы ООО «Магистр».

Разработанные «Технические условия на установку для разрушения брикетов мороженой рыбы» и «Проект линии дефростации рыбы с применением электрогидравлического удара» приняты к внедрению проектно-конструкторским отделом ОАО «Пищепромавтоматика» (г. Санкт-Петербург) в качестве научного обеспечения при разработке перспективного оборудования.

Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности», предназначенного для учебного процесса вузов по группе специальностей 260600.65 - "Пищевая инженерия". Пособие внедрено в учебный процесс СПбНИУ ИТМО, что подтверждено соответствующим актом.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ, имеется положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включающих обзор литературы, методику выполнения работы, аналитические исследования, экспериментальную часть, выводов, и приложения. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста и содержит 32 рисунка, 13 таблиц и 8 приложения на 45 страницах. Список литературы содержит 108 наименований, в том числе 8 иностранных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, ее научное и практическое значение.

В аналитическом обзоре научно-технической литературы по данной проблеме приведен анализ современных способов обработки брикетов рыбы при размораживании. Освещены достоинства и недостатки применяемых технологий размораживания рыбной продукции с точки зрения качества

рыбных продуктов, экономики процессов производства. Обоснована актуальность применения предложенного автором способа размораживания брикетов рыбы с применением электрогидравлического удара направленного действия. Изложены физические основы электрогидравлического удара и разрушения хрупких и вязких материалов (льда и замороженной рыбы).

В этой связи разработка рациональных, энергосберегающих режимов размораживания является актуальной задачей, решение которой зависит от множества факторов (вида и параметров теплоносителя, способа его подвода и т.д.). В ходе работы был проведен анализ и обобщены теоретические и экспериментальные исследования методов интенсификации способов размораживания и принято решение о необходимости механического разрушения брикета в качестве подготовки к размораживанию. Структурная схема проведения исследования представлена на рис.1.

Рисунок 1-Структурная схема проведения исследований

В диссертационной работе обобщены исследования по разрушению электрогидравлическим способом разного рода материалов (хрупких, вязких, органических и минеральных), определены необходимые характеристики генератора импульсных токов (ГИТ) для разрушения ледяных мостиков в замороженном брикете рыбы без повреждения тушек. Принцип действия электрогидравлических установок основан на применении электрогидравлического эффекта Л.А. Юткина, который представляет собой высоковольтный импульсный разряд электрического тока или перегорание проволочки в жидкости, сопровождающийся выделением энергии в виде ударных и акустических волн, света и др. В электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ) используется энергия, накопленная в конденсаторной батарее. В результате электрического разряда или взрыва проволочки, происходящего в жидкой среде, формируется канал, представляющий собой парогазовую полость, расширение которой сопровождается волнами давления и скоростным потоком, образующим мощный электрогидравлический удар, который разрушает ледяные мостики в замороженном брикете рыбы. Установки подобного типа за счет значительной энергии, накопленной в батареях импульсных конденсаторов, обеспечивают давление во. фронте волны в жидкости более 102-103 МПа, что превышает прочность разрушаемого льда. Важнейшей особенностью электроимпульсной технологии является высокая селективность разрушения хрупких материалов и сохранность от разрушения вязких материалов. К сожалению, электрогидравлическим установкам, основанным на использовании импульсного высоковольтного разряда между электродами в жидкости, присущи некоторые характерные недостатки. Это нестабильность и плохая воспроизводимость процесса, низкая эффективность преобразования энергии и существенное влияние на нее параметров жидкости, размеров электродов и их взаимное расположение. Для возникновения электрического пробоя рабочего промежутка требуется напряжение до 50 ООО В и более, что обуславливает непроизводительный расход энергии, запасенной в емкости накопителя.

В ходе выполнения работы было принято решение инициировать разряд взрывающимся проводником, что позволило локализовать место пробоя вплоть до обеспечения в ряде случаев заданной геометрии разрядного канала и фронта ударной волны, существенно снизить рабочее напряжение.

Преимуществом способа электрического взрыва проволочек является возможность осуществления электрогидравлических ударов вблизи проводящих объектов и в загрязненных органикой и солями водных растворах, что наблюдается в ваннах при оттаивании рыбы. По сравнению со свободным разрядом в жидкости электрический взрыв проволочек .обеспечивает более высокую эффективность и стабильность процесса.

Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с пищевыми продуктами и окружающей средой, образуя различные химические соединения. Поэтому проволочки экранируют в упругую трубку с проточной жидкостью. Применение установки электрогидравлического удара для

разрушения брикетов рыбы на тушки и интенсификации таяния дробленого льда позволяет в несколько раз увеличить производительность труда и даже совсем исключить применение физического труда на указанных работах. К побочным явлениям электроимпульсного разрушения следует отнести эффекты, обусловленные воздействием на мясо рыбы и жидкую рабочую среду высоких давлений ударной волны, электрических и магнитных полей. При этом фазовые превращения, изменение поверхностных свойств и снижение бактериальной обсемененности рыбы могут выступать как положительные факторы, влияющие на эффективность последующих процессов с продуктом (например, при обработке рыбы от чешуи) и даже представлять самостоятельный технологический интерес, например, для изменения качества мышц рыбы после размораживания, лучшего отделения их от костного скелета.

Известно, что предел прочности льда при динамическом воздействии нагрузки в 3-4 раза ниже, чем при статическом воздействии. Близость рабочего органа (электродов-проволочек) первым ударом создает эффект местного надлома брикета и развитие множественных трещин в ледяных мостиках, второй удар вводит в трещины водяные клинья (скорость ударной волны у нижней поверхности брикета до 300 м/с.).

После подачи двух-трех импульсов двигающийся на конвейере замороженный брикет рыбы под рабочими электродами разрушался.

Усиление силового воздействия ударной волны на брикет рыбы достигается следующими методами:

1) использованием оригинальных конструктивных решений полости разрядной камеры направленного действия, расположенной под проходящим на конвейере брикетом;

2) регулированием зарядного напряжения Щ конденсаторной батареи и параметров разрядного контура: емкости С, индуктивности Ь и длины канала разряда I (длины взрывающейся проволочки).

Для предложенной в работе цилиндрической разрядной камеры разработана математическая модель расчета давления на нижней поверхности брикета рыбы. Предполагаемая компоновка технологической установки для разрушения > брикетов замороженной рыбы с использованием электрогидравлического удара предусматривает размещение источника возбуждаемых колебаний от поверхности размораживаемого брикета на расстояние, соизмеримое с длиной самого источника колебаний. Это позволяет в первом приближении считать рассматриваемую задачу распространения колебаний одномерной, предполагая, что вне зоны ограниченной вертикалями а и Ь влияние электрогидравлического удара ничтожно мало (рис. 2)

\

-В"" &

\

X

3

/

а Ъ

Рисунок 2 - Схема зоны электрогидравлического воздействия на брикет замороженной

рыбы

В соответствии с уравнением сохранения количества движения в этом случае можно записать

Р,+ р,У,2=Р2+р2У22 (1)

Уравнение неразрывности при этом запишется в виде ' V* = Б2р2 У2 или для принятых ограничений

Р1У,2=р2У22, (2)

поскольку 81=82.

Используя соотношение (2) можно привести соотношение (1) к виду

F/-F;2=(p,-p2)(l /р,+ 1/р2)

(3)

Поскольку скачок уплотнения при электрогидравлическом ударе сопровождается образованием парогазовой смеси, предположим, дополнительно, что среда в рассматриваемом выделенном объеме отвечает условиям адиабатного расширения, то есть выполняются условия

к Р V2

---+— = const

fc-1 р 2

В этом случае соотношение (3) преобразуется к виду К22-К.2=—•(-+— )-const

к-1 р\ рг

Совместное решение уравнений (3) и (4) позволяет записать Р2 __ (к + 1)р2 -(к-1)р1 Pt (k + \)Pl-(k-\)p2

Уточнение давления Р2 может быть обеспечено уточнением процесса происходящего в плоскости инициирования волны S/ за счет учета скорости расширения парогазовой полости.

Запишем уравнение, характеризующее этот процесс, в виде

dr_ = £v

dt 16r2

(4)

(5)

где г - радиус парогазовой полости, м; (1 - расстояние между плоскостями и Б2, м;

Проинтегрируем его и, найдя константу интегрирования из условия У/=0 при *=0, запишем зависимость скорости У2 от 1 в виде

З Л

Еще одно уточнение получаемых результатов связано с учетом массы перемещаемой жидкости в виде следующего дифференциального уравнения

т

(7)

А 4

Дифференцирование выражения (6) и подстановка производной в (7) после некоторых преобразований приводит к выражению

(8)

где ш — масса воды, кг;

Р- вес брикета рыбы, Н;

г0 - диаметр парогазовой полости в начальный момент (диаметр проволочки), м.

Выражение (8) может быть использовано для количественной оценки уровня давления на нижней поверхности брикета рыбы.

Это давление должно превышать прочность ледяных мостиков, но быть меньше прочности мышц рыбы (оЛд<аэгу<о"р6).

Экспериментальные исследования воздействия электрогидравлического удара от электрически взрываемой проволочки (ЭВП) проводились на установке, представленной на рис.3.

Работа установки для разрушения брикета замороженной рыбы на тушки происходит следующим образом: механизм подачи проволоки (11-12) обеспечивает автоматическую подачу взрываемого отрезка проволоки (15) в межэлектродный промежуток. При достижении проволокой высоковольтного электрода (13) срабатывает контактор К (5), происходит разряд предварительно заряженной до напряжения и0 конденсаторной батареи (4) на этот отрезок проволоки, и он взрывается. Таким образом, конденсаторная батарея разряжается на систему ЭВП длиной I с большой плотностью энергии, которая обуславливает быстрое расширение канала и возникновение ударной волны в воде, заполняющей разрядную камеру 14.

1 2 3 4 5 6

220 V

16

И0

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки.

1-высоковольтный трансформатор; 2- выпрямитель; 3 -зарядное сопротивление; 4 -конденсаторная батарея; 5-контактор; 6-изолятор; 7- ванна с водой; 8- брикет рыбы; 9-тушки рыбы; 10- колотый лед; 11-12-механизм подачи проволоки; 13- высоковольтный электрод; 14- разрядная камера; 15- взрываемый отрезок проволоки; 16-осцилограф типа С1-70; 17-пультуправления стендом; 18-пьезодатчик давления, 19-приборы.

Высокая температура плазмы канала приводит к появлению парогазовой полости, вызывающей гидродинамические течения в воде (до 300-350 м/с при достижении нижней поверхности брикета), которые действуют на часть брикета площадью S, заставляя его среднюю часть перемещаться вверх на незначительную величину. Так как парогазовая полость ЭВП находится в непосредственной близости (4-5 см.) от проходящего над ней брикета рыбы, механический импульс движения воды преобразуется в местный разлом брикета по ледяным мостикам. Последующие взрывы ведут к расширению трещин и дальнейшему измельчению льда от соударений осколков льда и рыбы, а также возникновению новых разломов из-за продвижения рыбы в ванне на конвейере (конвейер в установке не показан).

Регистрация импульсных токов и падения напряжения на ЭВП осуществлялась с помощью устройств, преобразующих исследуемые сигналы до величины, приемлемой для последующей записи сигнала на электроннолучевом осциллографе.

При проведении исследований были использованы образцы замороженных брикетов рыбы с температурой -12 °С, которые устанавливались на высоте 4 см. над электрически взрываемыми проволочками.

Применяли медные, нихромовые и алюминиевые проволочки диаметром от 0,1 до 0,4 мм.

С увеличением диаметра (площади поперечного сечения) взрываемых проводников происходило увеличение мощности взрыва, но параметры проводников должны были быть согласованы с параметрами накопителя энергии (т.е. требовалось увеличивать мощность установки).

Оценка эффективности разрушения ледяных мостиков брикета показала, что при взрывах проводников под образцом брикета, последний разрушался после первого-второго взрыва проводника на несколько фракций. Для оценки эффективности разрушения проводился ситовый анализ продуктов разрушения ледяных мостиков на ситах с модулем 1,4, по результатам которого находились гранулометрические характеристики нескольких фракций. Качество очистки тушек от льда заметно улучшалось при увеличении процентного отношения колотого льда эквивалентным диаметром 5-10 мм. Погрешность измерения составила 2-3 %. В первой серии экспериментов для исследования влияния диаметра взрываемого проводника на характер разрушения брикета рыбы использовались медные проводники диаметром 015, 017, 0,2, 0,22, 0,25, 0,27, 0,3, 0,36 и 0,4 мм. Для образцов с медными проводниками диаметром 0,15 -0,27 мм характеристики имеют примерно одинаковый вид, с меньшей эффективностью разрушен лед с проводниками диаметром 0,3 - 0,4 мм. Во второй серии экспериментов исследовалось влияние материала проводников на характер разрушения льда. В опытах использовались медные, нихромовые и алюминиевые проводники диаметром от 0,15 мм до 0,40 мм. Параметры ГИТ не

изменялись. Нарастание давления во фронте ударной волны идет более быстро на проводнике с большим омическим сопротивлением. Степень разрушения льда зависит от материала взрываемого проводника. Для образцов с нихромовыми взрываемыми проводниками диаметром 0,25 мм лед разрушен с более высокой эффективностью, чем с медным проводником диаметром 0,25 мм. Наглядно это хорошо отображает график (рис. 4.)

0,15 О, IV о,2 0,22 0,25 0,27 0,3 0,36 0,4

Диаметр используемых проволочек, мм

♦ Нихром ш Медь ж Аллюминий

Рисунок 4. - Влияние диаметра и материала взрываемых проволочек в разрядной камере на процентное содержание фракций льда диаметром 5-10 мм.

Таким образом, по результатам экспериментальных исследований были определены рациональный диаметр и материал проволочек проводников, размещенных под брикетом рыбы.

При этом коэффициент полезного действия преобразования энергии, запасаемой в первичном накопителе, в энергию электрогидравлического удара около разрушаемой преграды (замороженного брикета), по расчетам и экспериментальным данным составляет до 30-40 %.

Для разработки рекомендаций по проектированию установки с использованием двухступенчатого способа размораживания рыбы в брикетах, был проведен двух факторный эксперимент с применением электрогидравлического удара для выяснения влияния основных параметров процесса на потребительские свойства рыбы. В качестве функции отклика была принята температура в центре отдельной тушки, поскольку именно она существенным образом влияет на качество рыбы. В качестве варьируемых параметров были выбраны жирность и время обработки рыбы в установке. Планирование эксперимента сводилось к построению и решению матрицы планирования. В ходе обработки полученных результатов было выведено уравнение регрессии, являющееся эмпирической моделью потребительских свойств рыбы от варьируемых факторов: качества сырья (жирности) и технологических параметров (продолжительности обработки).

У = -3.975 + 1.125X1 + 2.975 Х2 (9)

Более точная модель была получена при обработке данных в пакете МаЬ1са«1 по программе мультивариационной регрессии.

р , ( X , У , 2 )

Рисунок 5. Нелинейная модель зависимости температуры рыбы от жирности и времени обработки.

Аналитически она будет иметь вид:

У=-0.001Х,Х2 + 0,14Х22- 2,485Х2+1,908Х,- 0Д39Х12 (10)

Х1 -время обработки, мин., (0<т<25 мин.);

Х2 - жирность рыбы, (1<с<12 %);

У - температура в центре тушки рыбы, °С (/ =>-1);

Использование уравнения (10) позволяет определить температуру в центре тушки рыбы в любой период времени обработки в зависимости от жирности.

Результаты эксперимента по влиянию ЭГУ на дальнейшие стадии обработки тушек рыбы после разрушения брикетов приведены в виде графика достижения криоскопической температуры в центре рыбы в проточной воде (рис.6, рис.7). Для сравнения показаны результаты зависимости температуры в центре брикета сельди от времени обработки без применения ЭГУ (рис.7).

Рисунок 7. -Зависимость температуры в центре брикета сельди от времени обработки в проточной воде без применения ЭГУ.

Рисунок 6. - Зависимость температуры в центре тушки рыбы от времени обработки в проточной воде с применением ЭГУ: 1 - салака, 2 -сельдь, 3- минтай.

Время обработки тушки, I мин 3 5 7 9 И 13 1Ї 17 19

^ йсельдь 2 ^салаке З-іминтай

После обработки полученных экспериментальных данных с помощью программы EXCEL были получены следующие аналитические уравнения-с ЭГУ: t = -G,06x2 + 1,72х - 12,12 R5 = 0,99 S=0, 94 салака (11)-t = -0,02х2 + 1,14х - 12,22 R2 = 0,99 S=0, 95 сельдь (12)-

t = -0,02х2 + 1,05х - 12,13 R2 = 0,99 S«=0, 94 минтай (13)'

без ЭГУ:1= -0,005х2+ 0,59х - 12,11 R2 - 0,99 S= 0, 93 сельдь (14) Скорость достижения криоскопической температуры в центре тушек в условиях применения ЭГУ возросла в 12-14 раз. Кроме того, экспериментально подтверждено, что электроимпульсная технология разделения брикета рыбы на тушки и размораживания является энерго- и ресурсосберегающей.

Описание разработанной опытно-промышленной установки для разделения замороженных брикетов рыбы электрогидравлическим ударом представлено на рис.8.

Тушки рыбы на

Рисунок 8. -Схема опытно-промышленной установки для разделения брикета замороженной рыбы на тушки (и интенсификации процесса размораживания).

1 - ванна, 2 - устройство поддержания уровня воды в ванне, 3 - конвейер ленточно-сетчатый, 4,6 -разрядные камеры, 5 - разделенные тушки с колотым льдом, 7 -терморегулятор слива воды.

Установлено, что непрерывное разделение брикетов ЭГУ и интенсивное размораживание тушек в пульсирующей проточной воде положительно влияет на органолептический профиль размороженной рыбы. Воздействие ударной волны от взрывающихся проволочек - предохранителей осуществляется дозировано в автоматическом режиме. Так, в зависимости от размеров брикета и свойств рыбы регулируется напряжение на конденсаторе, частота импульсов, соответственно, изменяются сила удара направленной ударной волны по нижней поверхности брикета и процесс развития трещин с каждым следующим ударом. Достоверность разработанных методик расчета характеристик и параметров установки подтверждена экспериментальными исследованиями.

Сравнение потребительских свойства рыбы, размороженной после применения электрогидравлического удара и по традиционной технологии, показаны на рис.9.

по традиционной технологии

Данная диаграмма показывает, что органолептический профиль размороженной рыбы, прошедшей обработку электрогидравлическим ударом, не ухудшился по сравнению с рыбой, которая размораживалась по традиционной технологии в воде.

Таким образом разработан принципиально новый способ и устройство для разрушения замороженных брикетов рыбы на тушки электрогидравлическим ударом при подготовке к размораживанию. Экспериментально исследована зависимость влияния диаметра и материала взрываемых проволочек на процесс разрушения ледяных мостиков в брикетах замороженной рыбы. Даны рекомендации по проектированию установки для разрушения замороженных брикетов рыбы, а также предложена методика расчета давления необходимого для разрушения замороженных брикетов рыбы.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан принципиально новый способ и устройство для разделения брикетов рыбы электрогидравлическим ударом на тушки при подготовке к размораживанию; получено положительное решение о выдаче патента по заявке на изобретение № 2011130124 от 19.07.2011 г.

2. Предложена методика расчета давления ударной волны от взрыва проволочек для разрушения брикета на тушки, достаточного для разрушения ледяных мостиков в замороженных брикетах рыбы.

3. Доказана эффективность использования электрогидравлического удара для размораживания брикетированного сырья: время размораживания на экспериментальной установке сокращено в 12-14 раз.

4. Выбран тип и рациональные параметры электрогидравлической установки с применением взрывающихся проволочек, требующих пониженное в 1,5-2 раза напряжение по сравнению со свободным разрядом в жидкости для разрушения замороженных брикетов рыбы.

5. Обосновано техническое решение создания автоматизированной линии для разделения замороженных брикетов рыбы на тушки и повышения температуры в их центре до криос конической без перегрева поверхностного слоя рыбы.

6. Разработаны технические условия и конструкция технологического оборудования для обеспечения серийного производства установок для разделения брикетов замороженной рыбы.

7. Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения установки производительностью 5775 т/год составит 1 173 ООО руб./год при окупаемости опытно-промышленной установки 15 мес.

Условные обозначения:

Pi, Р2 -давления на плоскости Si и S2, Па, pi, р2 - плотность жидкости, кг/м3, Vi, V2 - скорость движения жидкости на уровне поверхности Sb S2, м/с, г- радиус парогазовой полости, м, d - расстояние между плоскостями S¡ и S2, м; F - вес брикета рыбы, Н; г0 - диаметр парогазовой полости в начальный момент (диаметр проволочки), м, Y-температура в центре тушки рыбы, °С, Xj _ жирность обрабатываемой рыбы, Х2 - время обработки рыбы, R-коэффициент достоверности аппроксимации, S-среднеквадратичное отклонение данных от графика

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Бычихин О.В., Антуфьев В.Т., Мовчанюк Е.В.. Новые технологии и оборудование для размораживания рыбы. Известия СПбГУНиПТ- Межвузовский сборник научных работ; СПб, 2005.-N« 2.- С. 13

2. Бычихин О.В., Антуфьев В.Т., Пеленко В.В. Современные способы размораживания рыбы [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. -Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2007 -№ 1.

3. Бычихин О.В., Антуфьев В.Т., Современные технологии и устройства для приготовления мясных полуфабрикатов «Известия СПбГУНиПТ»; СПб, 2008.-Л'2 2.- С. 30-32.

4. Бычихин О.В., Антуфьев В.Т. Эффективность дефростации замороженного блока методом электрогидравлического удара. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пшцевых технологий. - Электронный журнал - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2011.- №2.

5. Бычихин О.В., Антуфьев В.Т., Громцев С.А. Разработка энергосберегающей технологии размораживания рыбы. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. - Электронный журнал - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012.- №1.

Подписано в. печать (6.о-и». , формат 60x84 1/16 Усл. печ. Л.0Л Пач. л. 1,25 Тираж 80.'экз. Заказ № 72.

НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр„ 49 ИИК ИХиБТ. 101002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

На правах рукописи

БЫЧИХИН Олег Викторович

042013581 72

«Разработка технических средств для интенсификации процесса разрушения брикетов рыбы электрогидравлическим ударом»

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-кандидат технических наук доцент Антуфьев В.Т.

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Введение........................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и основные задачи исследования.

Обоснование актуальности и задач исследования.....................................12

Способы размораживания..................................................................18

Методика выбора технологии размораживания.......................................25

Анализ технических решений для размораживания рыбных продуктов.........27

Выводы........................................................................................36

ГЛАВА 2. Теоретические исследования электрогидравлической обработки замороженных брикетов рыбы в целях их потушного разделения.

2.1. Физические свойства льда и воды в замороженных брикетах рыбы

2.1.1. Физико-механические и теплофизические свойства льда..................38

2.1.2. Физические свойства воды........................................................43

2.2. Обоснование двухступенчатого способа размораживания брикетов рыбы с использованием электрогидравлического удара......................................51

2.3. Возможности аналитического моделирования установки ЭГУ..............59

Выводы........................................................................................62

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования.

3.1 Лабораторная установка. Методика исследования..............................64

3.2. Экспериментальное определение параметров ЭГУ...........................69

3.3. Планирование эксперимента........................................................70

Выводы........................................................................................78

ГЛАВА 4. Обработка экспериментальных данных и технические решения устройств для обработки рыбных продуктов.

4.1. Обработка экспериментальных данных...........................................80

4.2. Потребительские свойства рыбы с применением ЭГУ и по традиционной технологии.....................................................................................86

4.3. Распространение результатов исследования с модели на опытно-промышленную установку для разделения рыбных тушек........................88

4.4. Техника безопасности и условия эксплуатации рассчитанной опытно-промышленной установки................................................................89

4.5. Эколого-технико-экономическое обоснование предлагаемых технических

решений........................................................................................93

Выводы......................................................................................102

Список использованных источников...............................................103

Приложения.................................................................................113

Введение

В настоящее время происходит структурная перестройка рыбообрабатывающего комплекса Российской Федерации. В результате этого, значительно выросла доля предприятий малого и среднего бизнеса. В связи с ростом цен на энергоносители существенно возрос спрос и наметился переход на ресурсосберегающие технологии и оборудование. В отличие от Европы, которая на 90% потребляет рыбу в охлажденном состоянии и лишь на 10% - в замороженном, в России превалирует продукция из замороженной рыбы (Более 70% замороженной рыбы) [45,103].

В пищевой промышленности в целом и в рыбообрабатывающей области в частности наметились тенденции перехода от крупных предприятий к небольшим, со значительно меньшим объемом выпуска готовой продукции. Такие предприятия являются более гибкими и способны адаптироваться к изменениям рынка [87].

Практически все они используют мороженную рыбу, требующую качественного размораживания при минимизации количества работников и ограниченности энергетической мощности, затрачиваемой на обслуживание этого процесса.

Они заинтересованы в универсальной малогабаритной технике, созданной по принципу модульно-блочного агрегатирования [20,57,79]. Это дает возможность размораживать различные виды продукции при минимальной переналадке. В то же время, такое отечественное оборудование лишь начинает разрабатываться или находится в стадии внедрения, а его стоимость довольно велика. Анализ направлений исследований, связанных с оптимизацией процесса оттаивания замороженных брикетов рыбы показывает, что их надо подвергнуть воздействию тепловой энергии с определенным по времени профилем интенсивности. Тепловое воздействие могут оказывать разные теплоносители: атмосферный воздух, нагретый воздух, пар, вода или водяной туман. В некоторых случаях теплоноситель не нужен вообще,

поскольку используется принцип преобразования энергии поля в тепловую энергию, генерируемую в самом брикете рыбы (например, СВЧ-энергией).

Однако, независимо от способа передачи энергии, известно, что при непосредственном воздействии тепловой энергии на поверхность замороженного сырья тепло распространяется вглубь брикета постепенно, слой за слоем. Поэтому наблюдается определенная инерционность процесса, которая выливается в существенный температурный дифферент между поверхностью замороженного продукта и его сердцевиной. Очевидно, что для того, чтобы в толще замороженного брикета температура поднялась до необходимой -1,5 - -1°С, на его поверхности определенный период времени должна будет выдерживаться существенно более высокая температура. При этом слишком высокая температура поверхности может привести к денатурации белка и необратимым структурным изменениям, а также к активизации микроорганизмов, жизнедеятельность которых была подавлена воздействием низких температур, и росту их числа. Чем дольше проводится процесс размораживания, тем больше структура тканей будет отличаться по качеству от первоначального состояния. Рыба начинает интенсивно терять сок и структура ткани становится рыхлой. Быстрое размораживание позволяет в наилучшей степени сохранить первоначальное состояние структуры тканей. Поэтому длительность дефростации становится одним из важнейших показателей процесса, характеризующих эффективность самого способа.

Для решения задач, связанных с исключением зон перегрева в брикетах рыбы, особенно при непрерывном размораживании, требуется подводить тепло к каждой тушке рыбы, что резко увеличивает их контакт с теплоносителем. Автор видит решение в предварительном разрушении брикета рыбы электрогидравлическим ударом, который широко применяется в мировой практике в других областях производств[15,16,17].

При этом актуальной задачей является разработка научно обоснованной методики механического разделения замороженных брикетов рыбного сырья

без нарушения кожных покровов и мышц. Размораживание отдельных тушек рыбы не только эффективно, но и существенно влияет на качество продукции[8,9,18].

Совершенствование и применение серийных промышленных установок[18], использующих электрогидравлический эффект, для дробления ледяных мостиков в замороженных брикетах рыбы затруднено недостаточной изученностью явлений и процессов, происходящих в таких условиях. Процессы проектирования и эксплуатации электрогидравлических установок, использующих электрогидравлический эффект, связаны с необходимостью определения основных гидродинамических параметров ударной волны и гидропотока по известным характеристикам разрядного контура[3,13,14]. На сегодняшний день отсутствует единая общепризнанная методика определения этих параметров, особенно при искровом разряде в жидкости. В воде они зависят от растворенных примесей, температуры и конструкции электродов. Неадекватность предложенных математических моделей и сложность математического описания процесса разрушения брикетов рыбы требует дополнительных исследований. С оздание мате матических мо дел ей с целью совершенствования процесса размораживания брикетов замороженной рыбы для ее дальнейшей качественной переработки является важнейшей проблемой. Значительный вклад в развитие теории размораживания и создание новых видов размораживающих установок внесли В.М. Стефановский, Н. Н. Мизерецкий, И.А.Рогов, Ю.А Фатыхов, В.Н. Эрлихман А.А.Шалак, Г.Б. Чижов, Н. А. Головкин, И. Г. Алямовский, Н. А. Воскресенский, В.П. Зайцев, Б.С. Бабакин, И.И. Горбатов, Н.П. Янушкин, В.А., Попов, А.Г. Ханжин, И.Ю. Алексанян и др. Динамическим процессам деформирования и разрушения материалов посвящены работы JI.A. Юткина, В.В. Арсентьева, Г.А. Гулого, А.Н. Иоффе, Kouremenos D .А., Kakatsios X .К.,Б.Я. Мазуровского, А.Г. Рябинина и других.

Решение вышеуказанных проблем с внедрением оборудования, ранее не применяемого при подготовке мороженой рыбы к переработке, определило следующие цели и задачи исследования.

Цель и задачи исследования.

Цель работы - разработать способ и методику расчета устройства для разрушения электрогидравлическим ударом замороженного брикета рыбы при подготовке к размораживанию.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели определены основные задачи исследования:

Провести анализ существующих процессов и оборудования для размораживания рыбы, тенденций их развития.

Предложить методику расчета давления ударной волны в воде, достаточного для разрушения замороженного брикета рыбы на тушки.

На экспериментальной установке исследовать эффективность электрогидравлического удара на стадии подготовки брикета рыбы к размораживанию.

Выбрать тип и рациональные параметры электрогидравлической установки.

Разработать инженерную методику расчета установок с применением электрогидравлического удара для разрушения замороженных брикетов рыбы без снижения потребительских свойств продукта.

Разработать способ и устройство разрушения замороженного брикета рыбы на тушки с применением электрогидравлического удара.

Разработать технические условия на производство установок для разрушения брикетов замороженной рыбы.

Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии разрушения льда. Применялся системный подход к изучению и описанию

основных значимых факторов, влияющих на качество тушек рыбы при разрушении мороженых брикетов. При решении указанных задач использовались методы теории электрических цепей, динамики твердого тела, импульсных электрических разрядов в жидкости, техники высоковольтного эксперимента, аналитико-численные методы с использованием пакета ЕХЕЬ. Были использованы методы физического моделирования, математической статистики, планирования эксперимента, современные компьютерные технологии.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

Предложен новый способ и устройство для подготовки к размораживанию брикетов рыбы, позволяющий в 12-14 раз сократить время размораживания брикета рыбы в сравнении с размораживанием в воде без применения ЭГУ.

Разработана математическая модель расчета давления на нижнюю поверхность замороженного брикета рыбы для цилиндрической разрядной камеры необходимого для его разрушения.

Определены рациональные параметры давления ударной волны для разрушения замороженного брикета на тушки при подготовке к размораживанию.

Показано, что предложенный способ не ухудшает потребительские свойства свежей рыбы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Выполнены расчеты и предложена конструкция для выпуска опытно-промышленного образца устройства для размораживания рыбы с применением электрогидравлического удара.

Разработаны технические условия и инженерные методики расчета промышленных установок, позволяющие прогнозировать скорость размораживания сырья вне зависимости от размеров брикетов рыбы.

На основании комплекса экспериментально-теоретических исследований показана целесообразность предварительного разрушения замороженного брикета рыбы на тушки при подготовке к размораживанию.

Результаты работы использованы в учебном процессе подготовки студентов СПбНИУ ИТМО по специальности «Машины и аппараты пищевых производств» и слушателей Военной академии тыла и транспорта по специальности «Техническое обеспечение продовольственной службы».

Новизна технических решений подтверждена положительным решением ФГБУ «ФИПС» о выдаче патента на изобретение (заявка № 2011130124 от 19.07.2011).

На защиту выносятся:

Способ и устройство механического разделения брикета замороженной рыбы на тушки с применением электрогидравлического удара.

Методика расчета давления ударной волны в воде, достаточного для разрушения брикета замороженной рыбы на тушки.

Зависимости эффективности разрушения брикета замороженной рыбы от материала и диаметра используемых проволочек, которые могут быть применены на практике при проектировании и эксплуатации электрогидравлических установок для пищевой промышленности.

Технические решения конструкции установки для механического разделения брикетов на тушки и ускоренного размораживания рыбного сырья.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях СПбГУНиПТ (2006-2011г), на 34 научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников университета, на Научно-технической конференции с международным участием «Холод-2011. Проэкология и энергосбережение» и на ХЫ1 научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (2013г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке НИР на тему: «Проект эффективной системы

дефростации рыбы» для рыбообрабатывающего комбината в г. Сланцы ООО «Магистр» (Приложение 1).

Разработанные «Технические условия на установку для разрушения брикетов мороженой рыбы» и «Проект линии дефростации рыбы с применением электрогидравлического удара» приняты к внедрению проектно-конструкторским отделом ОАО «Пищепромавтоматика» (г. Санкт-Петербург) (Приложение 1) в качестве научного обеспечения при разработке перспективного оборудования.

Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности», предназначенного для учебного процесса вузов по группе специальностей 260600.65 - "Пищевая инженерия". Пособие внедрено в учебный процесс НИУ ИТМО ИХиБТ, что подтверждено соответствующим актом.

Публикации. . По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ, имеется положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, включающих обзор литературы, методику выполнения работы, аналитические исследования, экспериментальную часть, выводов, и приложения. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста и содержит 22 рисунка, 13 таблиц и 8 приложения на 45 страницах. Список литературы содержит 108 наименований, в том числе 8 иностранных авторов.

Структурная схема проведения исследований представлена на рисунке

1.1.

Рис. 1.1.Структурная схема проведения исследований

Глава 1= Анализ состояния вопроса и основные задачи исследования 1.1. Обоснование актуальности и задач исследования.

В рыбообрабатывающем комплексе Российской Федерации в связи с ростом цен на энергоносители наметился переход на ресурсосберегающие технологии и оборудование. Для рыбообрабатывающих предприятий имеют значение обеспечение высокого качества готовой продукции, минимальное энергопотребление, малые габариты и металлоемкость машин, а также простота в обслуживании и способность к перенастройке на различные виды мороженного сырья и режимы работы[86].

Замороженные брикеты рыбы перед промышленной переработкой на порционные изделия необходимо разморозить. Существуют тепловой способ разделения на тушки и размораживания, механические способы (разбивание, распиливание, дробление).

Анализ направлений исследований, связанных с оптимизацией процесса оттаивания замороженных брикетов рыбы показывает, что их надо подвергнуть воздействию тепловой энергии с определенным по времени профилем интенсивности[2,96]. Тепловое воздействие могут оказывать разные теплоносители: атмосферный воздух, нагретый воздух, пар, вода или водяной туман. В некоторых случаях теплоноситель не нужен вообще, поскольку используется принцип преобразования энергии поля в тепловую энергию, генерируемую в самом брикете рыбы (например, СВЧ-энергией). Однако, независимо от способа передачи энергии, известно что при непосредственном воздействии тепловой энергии на поверхность замороженного сырья тепло распространяется в глубь бр�