автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование процесса и аппарата быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки

На правах рукописи

СТЕФАНОВА Виктория Александровна

003452563

Совершенствование процесса и аппарата быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки

Специальность: 05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

003452563

Диссертация выполнена на кафедре "Холодильная техника" Московского государственного университета прикладной биотехнологии.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор

Венгер Клара Петровна

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Пластинин Павел Иванович

- кандидат технических наук, доцент

Камзолов Сергей Михайлович

Ведущая организация: Российский союз предприятий

холодильной промышленности (РОССОЮЗХОЛОДПРОМ)

Защита состоится " ¿У" ОСАЛ^рЛ 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212М49.05'при Московском государственном университете прикладной биотехнологии (109316, Москва, ул. Талалихина, 33, конференц-зал).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ.

Автореферат разослан "3-/" 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Мотин В.В.

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Производство быстрозамороженных пищевых продуктов - одно из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Замораживание таких продуктов осуществляется поштучно и поэтому они объединены термином "быстрозамороженные штучные пищевые продукты".

Быстрое замораживание предусматривает определенный интервал скорости процесса, гарантирующий высокое качество и товарный вид продукта, а также позволяющий включать его в общую поточную линию производства такой продукции.

Отрасль производства быстрозамороженной продукции развивается и в нашей стране. В России для этих целей используются морозильные камеры, туннели, плиточные шкафы, флюидизаторы и т.п. с машинной системой хла-доснабжения, которая обеспечивает температуру воздуха на уровне -25^-30 °С. При таких температурах процесс замораживания не обеспечивает скорости, характеризующие процесс быстрого замораживания продукта.

На сегодняшний день к технологическому холодильному оборудованию предъявляются требования существенного увеличения скорости замораживания пищевых продуктов, обеспечивающей гарантированное сохранение их качества. При этом существует необходимость в использовании экологически лояльных и дешевых хладагентов.

Исследования процесса замораживания пищевых продуктов с использованием проточной низкотемпературной воздушной системы хладоснабжения были впервые проведены на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ (дисс. д.т.н. Антонова A.A., дисс. к.т.н. Бобкова A.B.). Проточная система предусматривает одноразовое использование хладагента. Данные исследования проводились с учетом создания универсального аппарата на базе азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA). Условия замораживания низкотемпературным воздухом моделировались газообразным азотом, скорость потока которого обеспечивалась, как и в аппарате ACTA, с помощью вентиляторов.

В этом плане перспективно использование низкотемпературного воздуха (-60+-120 °С) от турборефрижераторной установки. Для данного диапазона температур отечественными специалистами разработаны турборефриже-раторные агрегаты на базе типоразмерного ряда турбодетандеров, что обеспечивает перспективность использования данного оборудования для скороморозильных аппаратов.

Применение турбодетандера дает возможность обеспечить одновременно широкий интервал не только температуры воздуха, но и скорости его потока. При этом из данного интервала необходимо научно обосновать рациональные режимные параметры воздуха в зависимости от вида замораживаемого продукта и его основных технологических параметров.

Выполнение таких исследований стало возможным в связи с созданием в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова холодильной установки на базе воздушного турборефрижераторного агрегата (ВТРА).

Решению такой проблемы и посвящена данная работа, которая выполнялась совместно с НИИ механики МГУ на основании договора о научно-техническом сотрудничестве (№ 1/ХТ-06 от 10.04.2006 г.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка конструкции туннельного аппарата и, на ее базе, рациональных режимных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием проточной системы хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки.

В соответствии с поставленной целью решались следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

- создать экспериментальный стенд, разработать контрольно-измерительную систему и машинные программы обработки экспериментальных данных для проведения исследований процесса замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на базе действующего ВТРА;

- разработать аналитические модели расчета основных параметров процесса замораживания пищевых продуктов (продолжительности, коэффициента теплоотдачи) для условий теплообмена в туннельном аппарате с проточной низкотемпературной воздушной системой хладоснабжения;

- провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности результатов аналитических расчетов, получения процессных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов, а также выявления механизма влияния на процесс конечной температуры замораживаемого продукта в условиях низкотемпературного воздуха от ВТРА; определить продолжительность замораживания пищевых продуктов, с использованием их классификации, в интервале низких температур воздуха и скорости его потока, обеспечиваемом турбохолодильным агрегатом;

- разработать конструкцию воздушного туннельного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой;

- разработать систему выбора рациональных режимных параметров быстрого замораживания с учетом класса продуктов, их технологических параметров, интервалов температуры и скорости воздуха, обеспечиваемых в туннельном аппарате с ВТРА;

- провести энергетический и технико-экономический анализы работы туннельного скороморозильного аппарата, использующего азотную или воздушную от турборефрижераторного агрегата проточные системы хладоснабжения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Разработаны аналитические модели расчета коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительности замораживания (т) пищевых продуктов в туннельном аппарате с проточной воздушной системой хладоснабжения.

Получены, на базе действующего воздушного турборефрижераторного агрегата, экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов, которые позволили доказать адекватность (на уровне 8-10 %) разработанных аналитических моделей, а также обосновать конечную температуру замораживаемого продукта (1к = -5 °С) при использовании низкотемпературного воздуха.

Получены номограммы и графические зависимости, позволяющие определить значения коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительность замораживания (т) пищевых продуктов широкого ассортимента в интервале температур воздуха (—60-^—120 °С) и скорости его потока (5-^25 м/с), обеспечиваемых ВТРА.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Разработаны машинные программы обработки экспериментальных данных на базе контрольно-измерительной системы, обеспечивающие графическое построение температурного поля продукта, кривых изменения плотности тепловых потоков, а также функционально зависимых кривых - средне-объемной температуры и коэффициента теплоотдачи (а).

Разработана конструкция воздухораспределительного устройства и, на его базе, предложено техническое решение туннельного аппарата для быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки (патент РФ № 2278336).

Предложена система выбора рациональных режимов работы ВТРА, обеспечивающих условия быстрого замораживания в туннельном аппарате исследуемых классов пищевых продуктов, с использованием полученных данных расчета продолжительности процесса и эксергетического анализа.

Получены результаты сравнительной энергетической, с использованием показателя величины эксергии, и технико-экономической оценки, доказывающие перспективность предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой в сравнении с аппаратами, использующими жидкий азот, а также традиционную холодильную машину.

Результаты работы использованы Институтом механики МГУ им. М.В. Ломоносова при разработке воздушных турборефрижераторных установок для пищевой промышленности (акт внедрения от 12.04.2006 г.), а также в учебном процессе на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

аналитические модели расчета продолжительности процесса и коэффициента теплоотдачи в условиях организации процесса замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате с проточной системой хла-доснабжения от ВТРА; - результаты экспериментальных данных основных параметров процесса замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на базе действующего турборефрижераторного агрегата;

конструктивное решение туннельного скороморозильного аппарата с системой воздухораспределения от турборефрижераторной установки (Патент РФ № 2278336);

систему выбора рациональных режимов работы турборефрижераторной установки, обеспечивающих условия быстрого замораживания в туннельном аппарате пищевых продуктов широкого ассортимента с учетом их технологических параметров;

результаты сравнительного эксергетического и технико-экономического анализов работы скороморозильных аппаратов, использующих низкотемпературный воздух, жидкий азот, а также аппаратов с холодильной машиной, позволяющих оценить условия их эффективного использования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Основные результаты работы обсуждались на международных научно-технических конференциях: "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии" (Москва, 2003 г.), "Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК" (Москва, 2004 г.), на 4-ой международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии "(Украина, Одесса, 2005), международной научно-технической конференции "Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК" (Москва, 2005), научно-технич. конференции "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии. Энергосбережение" (Москва, МГУПБ, 2006). ПУБЛИКАЦИИ.

Основные положения работы опубликованы в 11 печатных работах, в т.ч. в реферируемых ВАК журналах, получен патент РФ № 2278336. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 223 стр., включает 141 стр. основного текста, 36 рисунков, 22 таблицы, 87 литературных источников и 7 приложений на 82 стр.

Содержание работы ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность выбранной темы и определены цель и задачи исследования.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен обзор и анализ информационного материала по используемой в мировой практике технике быстрого замораживания пищевых продуктов. Доказана перспективность использования новых, экологически безопасных низкотемпературных проточных систем хладо-снабжения на базе жидкого азота и низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки. Разработке азотной системы хладоснабжения посвящены кандидатские диссертации Шабетника Г.Д., Мотина В.В., Арбузова С.Н., Пчелинцева С.А., Ручьева A.C., Феськова O.A., Бобкова A.B. и докторская диссертация Антонова A.A., анализ которых приведен в обзоре.

Данные исследования легли в основу создания отечественного азотного скороморозильного аппарата (ACTA). Основной недостаток аппарата ACTA -одноразовое использование дорогого криоагента. Главное преимущество низкотемпературной воздушной системы хладоснабжения - использование естественной, и, следовательно, дешевой и экологически безопасной охлаждающей среды. При этом обеспечиваются скорости процесса, необходимые для обеспечения быстрого замораживания пищевых продуктов.

В работах Бобкова A.B. и Антонова A.A. впервые исследован процесс замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на базе азотного аппарата ACTA, с целью обеспечения его универсальности по хладагенту. При этом условия теплообмена моделировались в аппарате ACTA газообразным азотом (-100 и -120 °С), подаваемом через распылительные форсунки, а скорость потока создавалась вентиляторами на уровне 10 м/с. Однако в данных работах не использован вариант подачи воздуха от детандера турбохолодильного агрегата, который позволяет одновременно получать низкую температуру в интервале от -60 до -120 °С и скорость его потока - от 5 до 25 м/с, что значительно изменит условия теплообмена и конструкцию скороморозильного аппарата.

Проведенный анализ информационного материала показал необходимость продолжения исследований проточной воздушной системы хладоснабжения для туннельного аппарата на базе действующего ВТРА, что определило цель и задачи работы.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлены экспериментальный стенд, методики проведения и результаты экспериментальных исследований.

Экспериментальный стенд был создан на базе ВТРА, установленного в институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова. Стенд (рис. 1) включает в себя следующие основйые элементы: винтовой компрессор с масляной системой, блок осушки сжатого воздуха, турбодетандер с масляным агрегатом, холодильную камеру и контрольно-измерительную аппаратуру. Для создания симметричных условий теплообмена в морозильной камере предложена система распределения низкотемпературного воздуха от турбодетандера.

Разработаны, на базе 10-канального измерителя температуры и плотности тепловых потоков ИРТ-4, а также переносного компьютера, контрольно-измерительная система, а также машинные программы обработки материала, позволяющие производить выбор и обработку экспериментальных данных с дальнейшим раздельным графическим построением температурного поля (термограммы) замораживаемого продукта, кривых изменения плотности тепловых потоков, а также функционально зависимых кривых - среднеобъем-ной температуры (tv) и коэффициента теплоотдачи (а).

Изменение в каждый момент времени среднеобъемной температуры tv = f(x) определялось как среднеарифметическое между температурами в центре и на поверхности продукта, коэффициента теплоотдачи (а) - с использованием уравнения Ньютона-Рихмана: а = q / (t2 -13), где q - плотность теплового

потока, Вт/м2; 12 - температура в центре продукта, °С; - температура воздуха, С.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда на базе воздушного турборефрижераторного агрегата: 1 - фильтр; 2 - винтовой компрессор; 3 -масловлагоотделитель; 4 - блок осушки; 5 - колонны-осушители; 6 - рекуперативный теплообменник; 7 - турбодетандер; 8 - концевой холодильник; 9 - аккумулятор масла; 10 - масляный фильтр; 11 - масляный агрегат; 12 - холодильная камера; 13 -система воздухораспределения; 14 - тележка; 15 - замораживаемый продукт; 16 -измеритель температуры и тепловых потоков (ИРТ 4); 17 - термопары и датчики тепловых потоков; 18 - портативный компьютер; 19 - электронный анемометр; 20 -чувствительный элемент анемометра; 21 - стол; 22, 23 - приводные электродвигатели; 24 - регулирующий вентиль; 25 - запорная арматура; 26 - трубопроводы.

На базе полученных кривых изменения коэффициента (а) методом графического интегрирования, заложенного также в программу, определялись его среднеинтегральные значения (ОсР инт).

На рис. 2 представлены результаты экспериментальных исследований при замораживании воздухом (ц = -60 °С, скорость циркуляции сов = 5 м/с) рубленных полуфабрикатов (котлет) толщиной 5 = 0,04 м. Такие же графические зависимости получены и приведены в диссертации для следующего ассортимента штучных пищевых продуктов и режимов их замораживания:

- шницели, 5 = 0,008 м (ц, = -60 °С, - 80 °С; сов = 5 м/с);

- котлеты, 5 = 0,04 м (Ц = -60 °С; со„ = 10 м/с);

- куриные окорочка, 5 = 0,032 м (Ц = -80 °С; со„ = 5 м/с);

- куриные грудки, 5 = 0,048 м (Ц, = -60 °С, - 80 °С; шв = 10 м/с).

1,°с 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70

■—

>

•V ■

........V

пов.

центр

среда

Ч, Вт/мг 2500 2000 1500 1000 500 О

°С 20 10 О -10 -20 -30 -40

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 т.мнн

НЮ

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 т'мин

а)

б)

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 т.мин

В)

Вт/м К

70 60 50 40 30 20 10 О

45,3

иСр ИНТ

/ ^—

/

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 т.мин

Рис. 2. Изменение температуры (а), плотности теплового потока (б), средне-объемной температуры (в) и коэффициента теплоотдачи (г) при замораживании в потоке воздуха 0ср = -60 °С, шв = 5 м/с) рубленных полуфабрикатов (котлет) толщиной 6 = 0,04 м.

Полученные результаты экспериментальных исследований были использованы при проверке адекватности предложенных аналитических моделей расчета продолжительности (г) процесса и коэффициента теплоотдачи (а), а также определения такого параметра процесса, как скорость замораживания. Рассчитаны, с использованием термограмм процесса, значения линейной (сол) и средней (соср) скорости замораживания:

шл= Ы Т|; сол = Ь / 12, (1)

где Ь - расстояние от поверхности до центра продукта (Ь = 5/2), м; Т] - время, в течение которого температура продукта изменяется от криоскопической на поверхности до криоскопической в центре, с; %г - время, в течение которого температура продукта изменяется от О °С на поверхности до температуры в центре на 10 °С ниже криоскопической, с.

Так, при замораживании котлет иср = 7,94-Ю"6 м/с, сол = 9,5-Ю""6 м/с, для куриных окорочков соср = 10,4-10"6 м/с, сол = 12,1-10"6 м/с. Такой уровень значений скоростей, характеризующий процесс быстрого замораживания, получен и для других исследуемых пищевых продуктов.

Анализ полученных термограмм процесса позволил обосновать возможность, при использовании низкотемпературного воздуха от турборефрижера-торного агрегата, заканчивать процесс замораживания при достижении конечной температуры продукта ^ = -5 °С, определяющей основной период фазового перехода воды в лед. В этом случае, температура на поверхности (У достаточно низкая, чтобы в процессе выравнивания обеспечить среднеобъ-емную температуру необходимую для дальнейшего холодильного хранения продукта.

На рис. 3 представлен пример графического определения среднеобъем-ной температуры ^ в момент достижения центром продукта 1« = -5 °С с помощью термограммы одного из экспериментов. Замораживание данного продукта до конечной ^ = -5 °С обеспечивает температуры ^ = -26 °С и на поверхности 1„=

-45°С.

Рис. 3. Термограмма замораживания котлет толщиной 8= 0,04 м в потоке воздуха (1Ср =-60°С, шв= 5 м/с).

60 т, мин

Получены экспериментальные данные, представленные в диссертации, зависимости температур tv и t„ от температуры воздуха ВТРА, а также толщины продукта.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты выполненных аналитических исследований процесса замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата.

Для расчета продолжительности процесса была принята аналитическая модель, предложенная Антоновым A.A., Бобковым A.B., в основу которой положен метод среднеинтегральных соотношений Л. Лейбензона, развитый для быстрого замораживания Бражниковым A.M., Венгер К.П., Буяновым О.Н., Феськовым O.A. При этом учитывалась разработанная система подачи воздуха от ВТРА и его распределения по длине туннеля аппарата, обеспечивающая условия симметричного теплообмена.

С учетом полученных экспериментальных данных, доказывающих, что при использовании низкотемпературного воздуха процесс замораживания можно заканчивать при конечной температуре в центре продукта t, = -5 °С, весь процесс разбивается на две характерные стадии: охлаждение - достижение криоскопической температуры на поверхности продукта; замораживание - достижение температуры в центре продукта на уровне -5 °С.

Пищевые продукты рассматривались в виде эквивалентного тела в форме неограниченной пластины. В работе Венгер К.П. доказано, с использованием разработанного Вейником А.Н. принципа стабильности теплового потока, что при быстром замораживании большинство пищевых продуктов представленных их классификацией, можно рассматривать в форме неограниченной пластины.

Стадия охлаждения

В основу решения стадии положена гипотеза Пирвердяна A.M. о наличии "температурного фронта", который распространяется от поверхности к центру, при этом стадия разбивается на две фазы: а - температурный фронт движется от поверхности к центру пластины, температура за фронтом равна температуре охлаждающей среды; б - температурный фронт достиг центра, температура пластины понижается и достигает на поверхности криоскопической. Постановка задачи заключается в решении уравнения теплопроводности:

84.

8т дх1

= а, —t (2), удовлетворяющего начальному и граничным условиям треть-

его рода: t2 (х, 0) = tn = const, 1 = 0;

I дх Л,*

dt.

дх Л,

= 0, (3)

х=0

где 1Ср < ^р < Сн; Ц - температура охлаждающей среды, °С; 1Н - начальная температура продукта, °С; - криоскопическая температура продукта, °С; 5 = 2Я - толщина пластины продукта, м; а = УС-р - коэффициент температуропроводности, м2/с; X - коэффициент теплопроводности продукта, Вт/м-К; С -удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-К; р - плотность продукта, кг/м3.

В ходе решения поставленной задачи были получены выражения зависимости Ро = {(ВО для каждой из фаз стадии охлаждения, которые преобразованы в виде одного общего выражения зависимости Р0(1) от Вк

Ро =_—_

где Д1= - Ц) "продукт-среда".

(В1г +4) + 4(В12 + 3)1п

(К -1СР) _ 4(В!2+1,5)г-1 В!г+2

О* "О 2

среднелогарифмическая разность температур системы

(4)

ШгА *поя

1 1-1

кр вых

(5)

чюд» чых - температуры подаваемого и выходящего воздуха, "С.

где

Стадия замораживания

Аналитическое описание стадии замораживания основано на модели Стефана. Процесс замораживания рассматривается как перемещение фронта кристаллизации от периферии к центру продукта. Предлагаемое решение задачи Стефана учитывает, что стадия замораживания заканчивается при достижении конечной температуры в центре продукта, равной 1к = -5 °С.

Уравнения теплопроводности для замороженной и незамороженной зон:

1 й, = д\ ~ ' дт~ дх2

и —

а,

1 8%

(6)

8т дх2

Решение указанных уравнений должно подчинятся начальному и граничным условиям третьего рода:

(7)

а.

= 0,

а также условию Стефана:

лД-^

ох дх

а

= Ь- W•0 ■ р

кр> ёГо

Результатом решения является выражение зависимости Ро(2) от Вк

_ р-со-\V-La, -(Вц +2) а.

За,

1^±1((Н|+1)ЦВц+1)-1)-1

(8)

(9)

(10)

где Х.1 - коэффициент теплопроводности замерзшей зоны, Вт/м -К; Ь - теплота фазового перехода, Дж/кг; со - доля вымороженной влаги; - относительное влагосодержание продукта.

Общая продолжительность замораживания:

Ро = Ро(1) + Ро(2) (11)

При расчете продолжительности замораживания пищевых продуктов одним из основных параметров является коэффициент теплоотдачи. Для условий теплообмена между продуктом и низкотемпературным воздухом в

туннельном аппарате предложенной конструкции в работе обосновано использование следующих зависимостей:

а = Ми-Х,Л1; N11 = 0,0296 • Ле°8 • Рг0,43, (12)

где N11 - критерий Нуссельта; X, - коэффициент теплопроводности для воздуха, Вт/м-К; с! - определяющий геометрический размер, м; Яе = со» • с! / V,- критерий Рейнольдса (с учетом, что Яе > 103); со, - скорость движения воздуха в аппарате, м/с; Рг = Срв- ц, / X, - критерий Прандтля; V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; Ср - удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг-К; А., - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м-К; рв - динамическая вязкость воздуха (р,= ув-рв), Пас; рв - плотность воздуха кг/м3.

В работе доказано, что использование в аппарате разработанной системы воздухораспределения позволяет в качестве определяющего размера (<1) развития процесса принять толщину (5) продукта. При расчете коэффициентов теплоотдачи использовалась следующая общая зависимость:

а = ■

0,0296 • Хд • Срв • Рв • со

•в

(13)

В диссертации представлены рассчитанные значения а при замораживании пищевых продуктов толщиной в интервале 5 = 0,008 0,072 м низкотемпературным воздухом tcp = —60 + -120 °С и скорости потока сов = 5 + 25 м/с, на базе которых построена номограмма (рис. 4).

253,7 212.5 168,4 121,6

235,6 197,3 156,4 113,1

217,5 182,1 144,4 104,4

199,4 166,9 132,4 95,7

181,3 151,7 120,4 87,0

163,2- 136,5 108,4 78.3 74.4

145,1 121,3 96,4. 69,6

о,, м/с 25 20 15 10 5 0,008 0,016 0,024 0,032 0,040 0,04« 0,056 0,064 0,072 8, и

Рис. 4. Номограмма определения коэффициента теплоотдачи (а) в зависимости от толщины замораживаемого объекта (5), температуры воздуха (Ц) и скорости его циркуляции (со,).

Номограмма позволяет, задаваясь толщиной (8) замораживаемого продукта и оперируя параметрами работы турборефрижераторного агрегата (tcp, со,) определить величину а. На рис. 4 показаны примеры работы с номограммой.

Проведена, на базе полученных экспериментальных данных, проверка адекватности предложенных аналитических моделей расчета т и а, которая составила, с учетом погрешности измерительной техники, порядка 8 + 10 %. С использованием адекватных реальным условиям процесса аналитических моделей рассчитана продолжительность замораживания (т) пищевых продуктов пяти классов (П( - мясопродукты, П2 - мясо птицы, П3 - рыба; П4 - плоды, ягоды, П5 - овощи) толщиной 5 = 0,008 0,072 м в зависимости от температуры (Ц) и скорости (со,) воздуха, обеспечиваемых турборефрижераторной установкой. Результаты расчетов представлены в диссертации табличными данными, на базе которых построены графические зависимости (т): - от толщины продукта (5) при постоянных температуре (tcp = -60 °С) и скорости циркуляции воздуха (со, = 5 м/с) (рис. 5 а, б); от температуры воздуха (tcp) и толщины продукта (5) при постоянной скорости (со, = 5 м/с) для одного из классов пищевых продуктов (П,) (рис. 6);

температуры (tcP) и скорости (со,) воздуха при постоянной толщине продукта класса П) - 5 = 0,04 м (рис. 7).

Полученные результаты позволили обосновать рациональные режимные параметры низкотемпературного воздуха от турборефрижераторного агрегата (tcp, со,) для быстрого замораживания пищевых продуктов в зависимости от их толщин (5). Для продуктов 5 = 0,008 0,04 м рациональными режимами можно считать: tcp = -60 "С, со, = 5 м/с. В этом случае (т) составляет от 8 до 60 минут, что обеспечивает условия быстрого замораживания продукта.

Возможно сократить (т) за счет увеличения скорости воздуха (со,): повышение (ш.) с 5 м/с до 10 м/с уменьшает (т) на 10 %, до 15 м/с - на 20 %, до 20 м/с - на 30 %, до 25 м/с - практически на 50 %. Для продуктов 6 = 0,048 м время замораживания на уровне т = 60 мин. можно обеспечить tcp = -90 -100 °С, со, = 5 м/с. При увеличении скорости воздуха (со,) температуру его можно повысить: до 10 м/с-1^, = -80 °С; до 15 м/с - tcp = -70 °С; до 20 м/с -tcp = -60 °С. Для пищевых продуктов 5 = 0,056 м режимами, обеспечивающими т = 60 мин будут: tcp = -100 + -110 "С, со, = 20 м/с; для продуктов 5 = 0,064 м и 5 = 0,072 м - tcp = -120 °С, со, = 25 м/с.

Полученные результаты аналитических исследований позволяют для замораживания пищевых продуктов -широкого ассортимента, варьируя их толщиной, выбрать рациональный режим работы турборефрижераторной установки (tcP, со,), обеспечивающий условия быстрого процесса. Однако при этом необходимо учитывать энергетическую составляющую, которая рассматривается в следующей главе работы.

к

А

п, щА

N 1

4L!.

\jji

О 0,008 0,016 0,024 0,032 0,04

а)

6,м

п,

п5

чД'

IL

1,032 0,04 0,048 0,056 0,064 0,072 6, и б)

Рис. 5. Зависимость продолжительности замораживания (т) продуктов классов ГТ| + П5 при температуре воздуха tcP = -60 °С и скорости циркуляции со, = 5 м/с от толщины продукта: а - в интервале 5 = 0,008 0,04 м, б - в интервале 8 = 0,04 -0,072 м.

t "с

-90 80-70 -60 ш

Niio

ч -ioo\i, Л

0 0,008 0,016 0,024 0,032 0,04 0,048 0,056 0,064 0,072 5,м

Рис. 6. Зависимость продолжительности замораживания (т) продуктов класса П| от температуры воздуха (^р) и толщины продукта (б) при скорости циркуляции воздуха ш„ = 5 м/с.

Рис. 7. Зависимость продолжительности замораживания (т) продуктов класса П1 толщиной 5 = 0,04 м от температуры воздуха (1Ср) и скорости его циркуляции

(о.).

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены разработанная конструкция туннельного воздушного скороморозильного аппарата и результаты энергетической и технико-экономической оценки его работы.

В скороморозильном аппарате с проточной системой хладоснабжения от ВТРА главным является распределение воздуха вдоль конвейера аппарата.

Разработано воздухораспределительное (ВР) устройство (рис.8), состоящее из магистрального трубопровода (1), П-образного коллектора (2) и двух воздуховодов (3), расположенных параллельно, вдоль транспортирующего органа, по обе его стороны. Воздух проходит через сужающиеся воздуховоды (3) и с помощью изогнутых пластин (4) поперечно подается к продукту, омывая его с двх сторон, обеспечивая симметричные условия замораживания. При необходимости возможно изменять направление потока воздуха путем перемещения стержня (5) и изменения положения, закрепленных на нем шарнирно, пластин (4).

1

5

Рис. 8. Общий вид воздухораспределительного (ВР) устройства.

Предложена методика, позволившая рассчитать напор воздуха по участкам (1-гУ, рис. 8), а также общий воздухораспределительного устройства для туннельных аппаратов, производительностью 250, 500 и 1000 кг/ч. Полученные данные необходимы для подбора ВТРА.

На базе ВР устройства разработана конструкция воздушного туннельного скороморозильного аппарата (рис. 9), новизна которой подтверждена патентом РФ № 2278336.

12 16 8 1 6 7 3 4 5 11

Рис. 9. Скороморозильный аппарат с проточной системой хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата: поперечное сечение (А-А); виды со стороны загрузки (Вид В) и выгрузки (Вид С) продукта; 1 — теплоизолированный корпус; 2 - транспортирующий орган; 3 - воздухораспределительное устройство; 4 - магистральный трубопровод; 5 - П-образный коллектор; 6 - воздуховоды; 7 - поперечные пластины; 8 - стержень; 9 - привод конвейера; 10 - привод подъема теплоизолированного короба; 11,12 — площадки, соответственно загрузки и выгрузки продукта; 13 - опоры аппарата; 14 - съемные колеса; 15 - нож; 16 - вытяжной канал.

На рис. 10 показаны принципиальная схема (а) и термодинамический цикл (б) работы турборефрижераторного агрегата совместно со скороморозильным аппаратом разработанной конструкции.

В данной главе работы представлены результаты энергетической оценки работы предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с определением величины эксергии, которая состоит из суммы эксергии термической, связанной с понижением температуры (ех) и эксергии для организации движения потока охлаждающей среды (е„): е = ех + е„.

Рис. 10. Принципиальная схема (а) и термодинамический цикл (б) работы тур-борефрижераторного агрегата: (1-2) - сжатие воздуха в компрессоре (I); (2-3) и (34) - охлаждение воздуха в концевом (И) и рекуперативном (III) теплообменниках; (4-5) - расширение воздуха в турбодетандере (IV); (5-6) - нагрев воздуха в скороморозильном туннеле (V); (5-7) - часть потока воздуха, направляемая через регулирующий вентиль (VII); (6-8) и (7-8) - объединение потоков воздуха перед теплообменником (III); (8-9) - подогрев воздуха в теплообменнике (III); (9-1) - подача воздуха на всасывание в компрессор; (10) - воздух, теряемый после скороморозильного туннеля (V); VI - воздухораспределительное устройство.

Величины эксергии определялись по эмпирическим зависимостям, предложенным Ришаром A.A., Буяновым О.Н., Арбузовым С.Н., Пчелинце-вым СЛ., Феськовым O.A. и модифицированным для условий работы разработанной конструкции аппарата с проточной системой хладоснабжения от ВТРА.

Рассчитаны и представлены в работе таблицами и графиками значения эксергии (е„), (ех) и общей (е) в зависимости от класса пищевых продуктов (П1 + П5), температуры (tcp) и скорости циркуляции (со,) воздуха, а также производительности скороморозильного аппарата: G' = 250; 500 и 1000 кг/ч

На рис. 11 представлена одна из таких графических зависимостей, позволяющая количественно оценить степень влияния на величину общей эксергии (е) температуры воздуха (tcp) при замораживании пищевых продуктов исследуемых классов.

Так, понижение (tcp) с -60 до -80 °С при постоянной скорости воздуха (шв) увеличивает величину (е) почти в два раза.

Рис. 11. Зависимость общей эксер-гии (е) от класса пищевых продуктов (П^ГЬ), т емперату-ры воздуха (tcp) при скорости его циркуляции to, = 10 м/с и производительности аппарата G' = 250 кг/ч.

Расчеты также показали, что на величину (е) практически не влияет скорость потока воздуха (и,), которая определяет составляющую эксергии (е,).

Полученные данные подтверждают преимущества используемого для туннельного аппарата ВТРА, в котором турбодетандер одновременно обеспечивает низкую температуру и скорость воздуха и не требуется дополнительных устройств (вентиляторов).

Полученные значения общей эксергии (е), а также ее составляющих (е„, ех), в широком интервале условий организации процесса замораживания позволяют энергетически оценить выбор рациональных режимов работы тур-борефрижераторной установки (tcp, со„). При этом необходимо учитывать результаты аналитических расчетов продолжительности процесса (т), основного показателя, определяющего скорость замораживания и, следовательно, качество продукта.

На базе величин общей эксергии (е), получены результаты сравнительного анализа трех проточных систем хладоснабжения, использующих в качестве хладагентов жидкий азот (данные Пчелинчева С.А.), газообразный азот (данные Феськова O.A.) и низкотемпературный воздух от турбодетандера с учетом способов распределения охлаждающей среды в туннеле аппарата и температурного напора 0т:

Ôm = 0,5((tK + tH)-(tBbIX + tcp)), (14)

где tH, U - начальная и конечная температуры продукта, °С; tcp, tBUX - температуры подаваемого и выходящего воздуха, °С.

Сравнение проводилось при постоянстве следующих параметров: со, = 10 м/с, производительность аппарата G' = 500 кг/ч (табл. 1).

Эксергетически эффективна предлагаемая проточная система хладоснабжения низкотемпературным воздухом с разработанным воздухораспределительным (ВР)-устройством. В этом случае величина (е) меньше почти в 2 раза в сравнении с системой, использующей газообразный азот, и в 4 раза -с системой на жидком азоте.

Таблица 1

Температурный напор 0т, (°С) Величина общей эксергии е (кДж/кг) в зависимости от охлаждающей среды и способов ее распределения:

Жидкий азот | Газообразный азот Низкотемпер. воздух

Распределительный коллектор ВР-устройство

60 2634 1380 597

65 2740 1550 709

70 2889 1764 845

75 3050 2010 1012

80 3270 2320 1221

85 3550 2660 1488

Получены результаты технико-экономической оценки работы трех туннельных скороморозильных аппаратов одинаковой производительности (500 кг/ч): воздушного спирального АСС-500 фирмы "Криотек" с машинной системой хладоснабжения; азотного аппарата АСТА-500 фирмы ООО "Темп-11"; воздушного аппарата СТАВ-500 с ВТРА, доказывающие эффективность использования аппарата СТАВ-500 (табл. 2).

Таблица 2

Показатели Ед. Сравниваемые варианты аппаратов

изм. АСС-500 АСТА-500 СТАВ-500

Годовая производительность т 1500 1500 1500

Общие капитальные затраты тыс. руб 4920 3150 5180

Удельные капитальные затраты руб/т 3280 2100 3450

Текущие затраты за год тыс. руб 2535 11552 1898

Текущие затраты на 1 т продукции руб/т 1690 7701 1265

Годовой экономический эффект тыс.руб * * 510 8642

Срок окупаемости лет (мес) - - 0,8 9,5

Примечание: * - вариант, с которым проводится сравнение.

Основные результаты работы н выводы

1. Создан экспериментальный стенд на базе действующего воздушного тур-борефрижераторного агрегата (ВТРА), разработаны контрольно-измерительная система и машинные программы, позволяющие обеспечить измерение и обработку основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов.

2. Разработаны аналитические модели расчета коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительности (т) замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате с низкотемпературной проточной воздушной системой хладоснабжения.

3. Получены экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов, которые позволили доказать адекватность (на уровне 8-И 0 %) предложенных аналитических моделей, а также обосновать конечную температуру (t, = -5 °С) замораживаемого продукта при использовании низкотемпературного воздуха от ВТРА.

4. Разработана конструкция воздухораспределительного устройства и, на его базе, предложено конструктивное решение туннельного скороморозильного аппарата с проточной системой хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки (патент РФ № 2278336).

5. Получены, необходимые для инженерных расчетов и эксплуатации туннельного аппарата предложенной конструкции, номограммы и графические зависимости коэффициента теплоотдачи и продолжительности процесса от температуры и скорости воздуха, подаваемого от ВТРА, а также класса замораживаемого продукта (П1 - мясопродукты, П2 - мясо птицы, П3 - рыба, ГЦ - плоды, ягоды, П5 - овощи) и его технологических параметров.

6. Предложена система выбора рациональных режимов воздуха от ВТРА, в интервале температур -60 + -120 °С и скорости потока 5 + 25 м/с, обеспечивающих процесс быстрого замораживания пищевых продуктов, представленной их классификации.

7. Получены данные энергетического анализа, с использованием значений общей эксергии и ее составляющих, в широком интервале условий организации процесса замораживания, позволяющие энергетически оценить выбор рациональных режимов работы турборефрижераторной установки.

8. Доказана, с использованием результатов сравнительных энергетического и технико-экономического анализов, перспективность предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с турборефрижераторным агрегатом, в сравнении с аппаратами, использующими жидкий или газообразный азот, а также машинную систему хладоснабжения.

9. Научные результаты работы использованы Институтом механики МГУ им М.В. Ломоносова при разработке воздушных турборефрижераторных установок для пищевой промышленности (представлен акт внедрения), а также в учебном процессе на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Венгер К.П., Стефанова В.А. "Перспективные методы быстрого замораживания". Сборник научных трудов 30-летию каф. "Холодильная техника" МГУПБ "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии", выпуск 2.-М.: 2003, с. 51-52.

2. Антонов A.A., Венгер К.П., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Аналитический расчет коэффициента теплоотдачи и продолжительности замораживания

пищевых продуктов в туннельном аппарате с низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки". Сб. научных трудов к 75-летию МГУПБ "Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК". - М: МГУПБ, 2004, с. 15-18.

3. Агеев Г.Л., Бабакин Б.С., Стефанова В.А. "Определение равновесной температуры воздуха в охлаждаемом помещении (на примере низкотемпературных прилавков", Методические указания. - М.: МГУПБ, 2005,24 с.

4. Венгер К.П., Мотин В.В., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Расчет и компоновка воздушного скороморозильного аппарата со спиральным конвейером", Методические указания. - М.: МГУПБ, 2005,27 с.

5. Антонов A.A., Венгер К.П., Кобулашвили А.Ш., Стефанова В.А., Шахмели-кян Г.Б., Феськов O.A. "Быстрое замораживание пищевых продуктов в туннельном аппарате с воздушной проточной системой хладоснабжения от турборефрижераторного агрегата". Сборник трудов 4-ой международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии". - Украина, Одесса: 2005, с.98 - 113.

6. Венгер К.П., Виницкая A.A., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Исследование процесса теплообмена при быстром замораживании штучных пищевых продуктов". Сб. научн. работ "Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК" - М.: 2005, с. 104-106.

7. Венгер К.П., Стефанова В.А., Феськов O.A., Шахмеликян Г.Б. "Низкотемпературные проточные системы хладоснабжения для быстрого замораживания штучных пищевых продуктов". Сборник научных работ "Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК". -М.: 2005, с. 109-111.

8. Патент РФ № 2278336, БИ №17 от 20.06.06. "Воздушный туннельный скороморозильный аппарат", авторы Антонов A.A., Венгер К.П., Стефанова В .А., Феськов O.A., 2006.

9. Венгер К.П., Антонов A.A., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Скороморозильный туннельный аппарат с воздушным турборефрижераторным агрегатом". Сборник научных трудов (выпуск 3) "Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии. Энергосбережение", М.: 2006, с. 177 — 180.

10. Венгер К.П., Антонов A.A., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Скороморозильный туннельный аппарат с воздушным турборефрижераторным агрегатом". - М.: Холодильная техника, № 11,2006, с. 31-33.

11. Венгер К.П., Антонов A.A., Стефанова В.А., Феськов O.A. "Быстрое замораживание продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата". - М.: Мясная индустрия, июль 2007, с. 43-46.

Подписано в печать«^/£ЛЙ£>/Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 07/31 МГУПБ. 109316, Москва, ул. Талалихина, 33. ООО «Полисувенир». 109316, Москва, ул. Талалихина, 33. Тел. 677-03-86

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Скорость процесса - определяющий параметр быстрого замораживания штучных пищевых продуктов.'.

1.2. Низкотемпературные системы хладоснабжения туннельного скороморозильного аппарата.

1.2.1. Азотная проточная система хладоснабжения.

1.2.2. Проточная система хладоснабжения низкотемпературным воздухом, расширенным в турбодетандере.

1.3. Анализ информационного материала.

2. Экспериментальные исследования процесса быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турбоде-тандера.

2.1. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований

2.2. Разработка контрольно-измерительной системы и программного обеспечения обработки экспериментальных данных.

2.2.1. Общие положения.

2.2.2. Разработка контрольно-измерительной системы для исследования процессов быстрого замораживания пищевых продуктов.

2.3. Результаты экспериментальных исследований.

2.4. Выводы по 2-ой главе.

3. Научные основы быстрого замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате низкотемпературным воздухом от турборефри-жераторного агрегата.

3.1. Аналитические исследования процесса.

3.1.1. Общие сведения.

3.1.2. Математическая модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом.

3.1.3. Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи в условиях симметричного теплоотвода низкотемпературным воздухом.

3.2. Проверка адекватности предложенных математических моделей.

3.3. Результаты аналитических расчетов и обоснование рациональных режимов быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторного агрегата.

3.4. Выводы по 3-ей главе.

4. Практическая реализация результатов исследований.

4.1. Туннельный скороморозильный аппарат с воздушной проточной системой хладоснабжения от турборефрижераторного агрегата.

4.2. Энергетическая оценка работы скороморозильного аппарата с низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки

4.3. Технико-экономическая оценка скороморозильных аппаратов с машинной и проточной системами хладоснабжения.

4.4. Внедрение и использование результатов диссертационной работы.

4.5. Выводы по 4-ой главе.

Основные результаты работы и выводы.

Производство быстрозамороженных пищевых продуктов - одно из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Так, например, производство быстрозамороженных продуктов в Европе выросло до 12 млн. тонн и составило в среднем свыше 22 кг на душу населения в год. Самого высокого уровня потребления из стран Европы достигла Дания - 50 кг/чел. В этой стране отрасль производства быстрозамороженной продукции дает $ 224 млрд., не считая мороженого. Рынок замороженных продуктов Польши - 257700 тонн в год. Причем, в основном, данная продукция Польшей экспортируется. Объем продаж только в Россию достигает 23000 тонн, при этом основной ассортимент составляют замороженные овощи и фрукты. Тенденции значительного роста развития рынка быстрозамороженной продукции просматривается и в таких странах Европы, как Великобритания, Германия, Франция, Италия, Швеция [61].

Замораживание таких продуктов осуществляется поштучно и поэтому они объединены термином «быстрозамороженные штучные пищевые продукты».

Быстрое замораживание предусматривает определенный классификацией интервал скорости процесса, гарантирующий высокое качество и товарный вид продукта, а также позволяющий включать его в общую поточную линию производства такой продукции [1].

Высокие скорости процесса обеспечивают значительное сокращение времени замораживания и, следовательно, энергозатрат. Считается, что при быстром замораживании штучных пищевых продуктов продолжительность процесса не должна превышать 1,0 часа.

Отрасль производства быстрозамороженных продуктов развивается и в нашей стране, однако, не такими темпами, как, например, в европейских странах. В России для этих целей в основном используется импортная техника. В большинстве это холодильные компрессоры таких фирм, как Bilzer, Gunter, Maneurop и пр. Целый ряд российских фирм, таких как Гран (Марий Эл), Мириталь (Москва), Эйр-кул (Санкт-Петербург), Рефко (Москва), Простор-JI (Королев) и др., используют конструктивные решения этого оборудования для создания морозильных камер, туннелей, плиточных шкафов, флюидизато-ров и т. п., которые относят к скороморозильной технике. Однако такое оборудование с машинной системой хладоснабжения обеспечивает температуры воздуха -25 -30 °С. При таких температурах процесс замораживания не обеспечивает скорости, характеризующие процесс быстрого замораживания.

На сегодняшний день к технологическому холодильному оборудованию предъявляются требования существенного увеличения скорости замораживания пищевых продуктов, обеспечивающей гарантированное сохранение их качества. Такие требования могут ?быть удовлетворены снижением температуры и увеличением скорости движения охлаждающей среды (хладагента).

При этом существует необходимость в использовании экологически чистых и относительно дешевых систем холодильной обработки пищевых продуктов. Актуальность экологической проблемы отражена в известных Монреальском и Киотском протоколах по ограничению, а в дальнейшем запрету промышленного использования хлорфторсодержащих хладагентов. Россия, в числе других стран, подписала Монреальский протокол.

В этом плане перспективно использование в качестве экологически лояльных хладагентов жидкого азота (-196 °С) и низкотемпературного воздуха (-60 —120 °С), которые позволили создать новые технологические процессы быстрого замораживания пищевых продуктов.

Скороморозильные аппараты, использующие такие низкотемпературные системы хладоснабжения, работают по проточному принципу действия, т. е. предусматривается одноразовое использование хладагента.

В мировой практике достаточно широко используются азотные проточные системы хладоснабжения для быстрого замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов. По оценкам экспертов, в настоящее время до 20 % общего объема замораживания продуктов осуществляется жидким азотом. Такие ведущие зарубежные фирмы, производящие жидкий азот, как Linde, British Oxygen и др., способствуют внедрению скороморозильного оборудования с целью расширения рынка для жидкого азота [15].

В нашей стране достаточно широкий рынок производства-жидкого азота. Производства располагаются на более чем 1200 предприятиях на территории России, т. е. сегодня жидкий азот доступен i практически любому потребителю. Однако для быстрого замораживания пищевых продуктов жидкий азот практически не используется.

В то же время в России накоплен значительный теоретический и практический научный потенциал по использованию жидкого и газообразного азота для холодильной обработки пищевых продуктов и сырья. Разработке этой проблемы посвящены кандидатские диссертации Мотина В.В. (1988 г.), Арбузова С.Н. (2000 г.), Пчелинцева С.А. (2001 г.), Феськова O.A. (2002 г.), Ручьева A.C. (2003 г.) и докторская диссертация Антонова A.A. (2003 г.). Данные исследования легли в основу создания отечественного азотного скороморозильного аппарата (ACTA) и разработанных технологий криогенного замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов растительного и животного происхождения.

Основной недостаток азотных аппаратов ACTA, сдерживающий их широкое промышленное применение - одноразовое использование дорогого криоагента. Доказано, что себестоимость замораживания в таком аппарате в значительной степени зависит от цены азота, которая в нашей стране колеблется от 4,0 до 6,0 руб. за кг, а также от цены продукта. Поэтому азотные системы хладоснабжения на сегодняшний день перспективно использовать для быстрого замораживания продуктов, стоимость которых высока и зависит, главным образом, от сохранности их качества, например ценных пород рыб, морских ежей и т. п., что обеспечит конкурентоспособность такой продукции на мировом рынке.

Перспективно для широкого ассортимента быстрозамороженной продукции использование низкотемпературного (-60 —120 °С) воздуха от турбодетандера. Учитывая, что воздух, как хладагент, практически ничего не стоит, очевидны преимущества такой системы перед азотной. Для данного диапазона температур построен ряд турбо-рефрижераторов ATR на базе типоразмерного ряда турбодетандеров RET. Накопленный опыт криогенного турбодетандеростроения позволили коллективам СКТБ «Турборефрижераторы», института механики МГУ им. Ломоносова, кафедры холодильной и криогенной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана существенно приблизить холодильный цикл к нуждам пищевой промышленности. Такие системы хладоснабжения не имеют аналогов в мировой практике [38]. Первые исследования, и на сегодняшний день единственные, процесса быстрого замораживания широкого ассортимента пищевых продуктов низкотемпературным воздухом в интервале -60 -ь -120 °С были проведены на кафедре «Холодильная техника» МГУПБ Бобковым A.B., Антоновым A.A. Однако следует отметить, что режимные параметры процесса были получены авторами при моделировании низкотемпературного воздуха (-100 и -120 °С) газообразным азотом, который подавался в туннельный аппарат через коллектор с форсунками, т. е. условия теплообмена обеспечивались несимметричные, также как и в азотном аппарате. В то время как математическая модель расчета процесса предусматривает симметричные условия. Параметры процесса будут заметно отличаться в случае подачи в туннель воздуха от турбодетандера, который обеспечивает не только низкую температуру, но и определенную скорость потока, зависящую от температуры подаваемого воздуха.

Кроме того, не весь исследуемый интервал температур воздуха (-60 -т- -120 °С) необходим для быстрого замораживания продуктов. Необходимо обосновать рациональную температуру, определяемую видом продукта и его основными технологическими параметрами.

Анализ информационного материала, а также работ Бобкова A.B., Антонова A.A., представленный в 1-ой главе, позволил обосновать необходимость и актуальность продолжения исследований проточной системы хладоснабжения низкотемпературным воздухом, расширенном в турбодетандере, с целью совершенствования процесса и аппарата быстрого замораживания штучных пищевых продуктов.

Такие исследования стали возможными в результате создания в Институте механики МГУ им М.В. Ломоносова холодильной установки на базе воздушного турборефрижераторного агрегата (ВТРА), с которым был заключен договор (№ 1/ХТ-06 от 10.04.2006 г.) о научно-техническом сотрудничестве. Цель работы: разработка конструкции туннельного аппарата, и на ее базе, рациональных режимных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием проточной системы хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефриже-раторной установки.

В соответствии с поставленной целью определились задачи работы.

Задачи работы: создать экспериментальный стенд, разработать контрольно-измерительную систему и машинные программы обработки экспериментальных данных для проведения исследований процесса замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом на базе действующей ВТРА; разработать аналитические модели расчета основных параметров процесса замораживания пищевых продуктов (продолжительности, коэффициента теплоотдачи) для условий теплообмена в туннельном аппарате с проточной низкотемпературной воздушной системой хладоснабжения; провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности результатов аналитических расчетов, получения процессных параметров быстрого замораживания пищевых продуктов, а также выявления механизма влияния на процесс конечной температуры (1;к) замораживаемого продукта в условиях низкотемпературного воздуха от ВТРА; определить продолжительность замораживания пищевых продуктов, с использованием их классификации, в интервале низких температур воздуха и скорости его потока, обеспечиваемом тур-бохолодильным агрегатом; разработать конструкцию воздушного туннельного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой; разработать систему выбора рациональных режимных параметров быстрого замораживания с учетом класса продуктов, их технологических параметров, интервалов температуры и скорости воздуха, обеспечиваемых в туннельном аппарате с ВТРА;

- провести энергетический и технико-экономический анализы работы туннельного скороморозильного аппарата, использующего азотную или воздушную от турборефрижераторного агрегата проточные системы хладоснабжения.

Научная новизна

Все основные результаты работы являются новыми. Разработаны аналитические модели расчета коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительности замораживания (т) пищевых продуктов в туннельном аппарате с проточной воздушной системой хладоснабжения.

Получены, на базе действующего воздушного турборефрижераторного агрегата, экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов, которые позволили доказать адекватность (на уровне 8-10 %) разработанных аналитических моделей, а также обосновать конечную температуру замораживаемого продукта (tK = -5 °С) при использовании низкотемпературного воздуха.

Получены номограммы и графические зависимости, позволяющие определить значения коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительность замораживания (т) пищевых продуктов широкого ассортимента в интервале температур воздуха (-60-^-120 °С) и скорости его потока (5-^25 м/с), обеспечиваемых ВТРА.

Практическая значимость

Разработаны машинные программы обработки экспериментальных данных на базе контрольно-измерительной системы, обеспечивающие графическое построение температурного поля продукта, кривых изменения плотности тепловых потоков, а также функционально зависимых кривых — среднеобъемной температуры (1;у) и коэффициента теплоотдачи (а).

Разработана конструкция воздухораспределительного устройства и, на его базе, предложено техническое решение туннельного аппарата для быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки (патент РФ № 2278336).

Предложена система выбора рациональных режимов работы ВТРА, обеспечивающих условия быстрого замораживания в туннельном аппарате исследуемых классов пищевых продуктов, с использованием полученных данных расчета продолжительности процесса и эксергетического анализа.

Получены результаты сравнительной энергетической, с использованием показателя величины эксергии, и технико-экономической оценки, доказывающие перспективность предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с турборефрижераторной установкой в сравнении с аппаратами, использующими жидкий азот, а также традиционную холодильную машину.

Результаты работы использованы Институтом механики МГУ им. М.В. Ломоносова при разработке воздушных турборефрижера-торных установок для пищевой промышленности (акт внедрения от 12.04.2006 г.), а также в учебном процессе на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ.

1. Состояние вопроса.

Основные результаты работы и выводы

1. Создан экспериментальный стенд на базе действующего воздушного турборефрижераторного агрегата (ВТРА), разработаны контрольно-измерительная система и машинные программы, позволяющие обеспечить измерение и обработку основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов.

2. Разработаны аналитические модели расчета коэффициента теплоотдачи (а) и продолжительности (т) замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате с низеотемператруной проточной воздушной системой хладоснабжения.

3. Получены экспериментальные данные основных процессных параметров замораживания пищевых продуктов, которые позволили доказать адекватность (на уровне 8-НО %) предложенных аналитических моделей, а также обосновать конечную температуру (1к = —5 °С) замораживаемого продукта при использовании низкотемпературного воздуха от ВТРА.

4. Разработана конструкция воздухораспределительного устройства и, на его базе, предложено конструктивное решение туннельного скороморозильного аппарата с проточной системой хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки (патент РФ № 2278336).

5. Получены, необходимые для инженерных расчетов и эксплуатации туннельного аппарата предложенной конструкции, номограммы и графические зависимости коэффициента теплоотдачи и продолжительности процесса от температуры и скорости воздуха, подаваемого от ВТРА, а также класса замораживаемого продукта (П1 - мясопродукты, П2 - мясо птицы, Пз - рыба, П4 - плоды, ягоды, П5 - овощи) и его технологических параметров.

6. Предложена система выбора рациональных режимов воздуха от ВТРА, в интервале температур -60 -120 °С и скорости потока 5

25 м/с, обеспечивающих процесс быстрого замораживания пищевых продуктов, представленной их классификации.

7. Получены данные энергетического анализа, с использованием значений общей эксергии и ее составляющих, в широком интервале условий организации процесса замораживания, позволяющие энергетически оценить выбор рациональных режимов работы турборефрижераторной установки.

8. Доказана, с использованием результатов сравнительных энергетического и технико-экономического анализов, перспективность предлагаемого воздушного скороморозильного аппарата с турбо-рефрижераторным агрегатом, в сравнении с аппаратами, использующими жидкий или газообразный азот, а также машинную систему хладоснабжения.

9. Научные результаты работы использованы Институтом механики МГУ им М.В. Ломоносова при разработке воздушных турбореф-рижераторных установок для пищевой промышленности (представлен акт внедрения), а также в учебном процессе на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ.

1. Антонов A.A., Венгер К.П. Азотные системы хладоснабжения для производства быстрозамороженных пищевых продуктов. Рязань: «Узорочье», 2002, 205 с.

2. Антонов A.A. Совершенствование производства быстрозамороженных пищевых продуктов с использованием низкотемпературных проточных систем хладоснабжения. // Автореф. дис.д.т.н., 2003, 39 с.

3. Антонов A.A., Бобков A.B., Венгер К.П., Пчелинцев С.А. Классификация пищевых продуктов для унификации расчетов холодильного оборудования. // Мясная индустрия, 2002, № 5, с. 45-46.

4. Антонов A.A., Венгер К.П. Перспективные направления совершенствования процесса и оборудования для быстрого замораживания пищевых продуктов. // Холодильный бизнес, 2002, № 2, с. 32-33.

5. Антонов A.A., Венгер К.П., Ручьев A.C. Проточная азотная система хладоснабжения для холодильной обработки растительной; продукции, максимально использующая температурный потенциал криоагента. // Холодильный бизнес, 2002, № 6, с. 14-17.

6. Антонов A.A., Сивачева A.M., Донцова Н.Т., Венгер К.П. Быстрое замораживание криогенным способом гарантия высокого качества продукта. // Мясная индустрия, 2004, № 5, с. 30-32.

7. Арбузов С.Н. Разработка процесса и принципов аппаратурного оформления проточной азотной системы для холодильной обработки пищевых продуктов. // Автореф. дисс.к.т.н., 2000, 30 с.

8. Архаров A.M., Кобулашвили A.M., Розеноер Т.М., Журавлева И.Н., Венгер К.П., Антонов A.A. Новые установки быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом, расширенном в турбодетандере. // Холодильная техника, 2004, № 9, с. 2-7.

9. Балестриери Э., Дапонте П., Рапуано С. Цифро-аналоговые преобразователи: метрологический обзор. Измерения. Контроль. Автоматизация (журнал в журнале): состояние, проблемы, перспективы. - Датчики и системы, №1, 2005, с.61-63.

10. Балыкова Л.И., Юрков Ю.А., Рогонаев М.В. Использование азота для замораживания ценных гидробионтов. // Материалы Международной конференции «Индустрия холода в XXI веке», 2004, с. 116119.

11. Бартенев В.Г., Бартенев Г.В. Новое поколение цифровых датчиков температуры. Электроника и компоненты, № 3, 1997.

12. Бобков A.B. Разработка проточной системы хладоснабжения туннельного скороморозильного аппарата с использованием низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки. // Автореф. дисск.т.н., 2004, 26 с.

13. Бражников A.M. Теория теплофизической обработки мясопродуктов. М.: Агропромиздат, 1987, 270 с.

14. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973, с.295.

15. Буянов О.Н. Научные и практические основы дискретного тепло-отвода при быстром замораживании пищевых продуктов // Автореф. дисс. д. т. н., 1999, 38 с.

16. Буянов О.Н. Совершенствование процесса быстрого замораживания готовых блюд и комбинированных полуфабрикатов. // Автореф. дисс. канд. техн. наук, 1985, 18 с.

17. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- М.: Наука, 1972, 720 с.

18. Венгер К.П. Научные основы создания техники быстрого замораживания пищевых продуктов. Автореф. дисс.д.т.н., 1992, 44 с.

19. Венгер К.П. Холодильное технологическое оборудование. Быстрое замораживание пищевых продуктов. М.: ГПП «Печатник», 1997, 112 с.

20. Венгер К.П., Выгодин В.А. Машинная и безмашинная системы хладоснабжения для быстрого замораживания пищевых продуктов. -Рязань: «Узорочье», 1999, 143 с.

21. Венгер К.П., Ковтунов Е.Е. Расчет продолжительности быстрого замораживания штучных пищевых продуктов. — М.: Вестник МАХ, вып. 2, 1998, с. 44-47.

22. Венгер К.П., Мотин В.В., Феськов O.A. Расчет технологического оборудования: аппаратов непрерывного действия для быстрого замораживания пищевых продуктов. М.: МГУПБ, 2001, 30 с.

23. Венгер К.П., Мотин В.В., Феськов O.A. Расчет технологического оборудования: камер охлаждения и замораживания пищевых продуктов. Методические указания М.: МГУПБ, 2001, 32 с.

24. Венгер К.П., Мотин В.В., Кузьмина И.А., Феськов O.A. Расчет азотного скороморозильного туннельного аппарата. Методические указания М.: МГУПБ, 2005, 26 с.

25. Венгер К.П., Мотин В.В., Стефанова В.А., Феськов O.A. Расчет и компоновка воздушного скороморозильного аппарата со спиральным конвейером. Методические указания М.: МГУПБ, 2005, 28 с.

26. Венгер К.П., Пчелинцев С.А., Феськов O.A. Классификация объектов быстрого замораживания в морозильных аппаратах. Вестник МАХ, №1, 2001, с.41-43.

27. Венгер К.П. Ручьев A.C., Феськов O.A. и др. Исследование процесса быстрого замораживания пищевых продуктов в трехзонном азотном аппарате М.: Вестник МАХ, № 2, 2001, с.36-37.

28. Высказывания по поводу настоящего и будущего промышленной автоматизации. Глобальные сдвиги в автоматизации. — Датчики и системы, № 1, 2005, с.52-53.

29. Гиндзбург А.С, Громов М.А., Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов (Справочник). М.: Агропром-издат, 1990, с. 288.

30. Гнилицкий В.М., Кобулашвили А.Ш. Скороморозильная техника для пищевых продуктов. // Промышленный оптовик, 2000, № 12, с. 13.

31. Голянд М.М., Малеванный Б.Н., Печатников М.З., Плотников В.Т. Сборник примеров расчетов и лабораторных работ по курсу "Холодильное технологическое оборудование". М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, 168 с.

32. Голянд М.М., Малеванный Б.Н. Холодильное технологическое оборудование. М.: Пищевая промышленность, 1977, 336 с.

33. Грубы Я. Производство замороженных продуктов. И.: ВО Агро-промиздат, 1990, 335 с.

34. Гуйго Э.И. Теоретические основы тепло- и хладотехники. Теплообмен. (часть 2) — Ленинград, 1976, 224 с.

35. Дубинский М.Г. Воздушные турбохолодильные машины. Серия ХМ-7. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1982.

36. Дубинский М.Г., Гуревич Е.С. Установка с воздушной турбохо-лодильной машиной для быстрого замораживания ягод, плодов, овощей. // Холодильная техника, 1974, № 11.

37. Жильцов И.Б. Применение газифицированного жидкого азота для замораживания продуктов. // Производство и реализация мороженого и быстрозамороженных продуктов, 2004, № 4, с. 26-27.

38. Закон РФ "Об обеспечении единства измерений", 1993.

39. Карпычев В.А., Колтыпин Ю. Приближенное решение задачи о замораживание биологических материалов. — М.: Известия вузов. Пищевая технология, 1989, №6, с. 64-65.

40. Ковтунов Е.Е. Совершенствование процесса холодильной обработки фасованного потребительскими порциями сливочного масла. Автореф. дисс.-.к.т.н., 1996, 16 с.

41. Кошкин В.Н., Калинин Я.К., Дрейцер Г.А. и др. Нестационарный теплообмен. -М.: Машиностроение, 1973, 328 с.

42. Кузнецов Л.А., Припачкин В.И., Милонов М.В. и др. Цифровой измерительный комплекс для массочувствительных датчиков. Датчики и системы, 2002, №3.

43. Куцакова В.Е., Фролов C.B. и др. О времени замораживания пищевых продуктов. Холодильная техника, 1997, №2, с. 16-17.

44. Лаковская И.А., Шабетник Г.Д., Каухчешвили Э.И., Сидорова Н.Д. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при замораживании продуктов животного происхождения. // Холодильная техника, 1979 г., №9, с. 43-45.

45. Лариков H.H. Теплотехника. М.: Стройиздат, 1985, 432 с.

46. Лейбензон JI. К вопросу о затвердевании земного шара из расплавленного состояния. Трудов АНСССР. — М.: 1965, т. 4, с. 317-360.

47. Лейбензон Л. Собрание трудов АНСССР. -М.: 1955, т. 4, с. 397.

48. Лыков A.B. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967, 599 с.

49. Малков М.П., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б., Данилов И.Б. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энерго-атомиздат, 1985, 432 с.

50. Мартыновский B.C., Мельцер Л.З. Температурные границы рационального использования воздушных холодильных машин. // Холодильная техника, 1955, № 2.

51. Мартыновский B.C., Мельцер Л.З., Шнайд И.М., Бондаренко Л.Ф., Навроцкий Ю.Д. и др. Исследование работы воздушной турбо-холодильной машины ТХМ-300 с термокамерой. // Холодильная техника, 1968, № 11.

52. Мижуева С.А. Разработка эффективных технологических методов сохранения рыбного сырья. // Автореф. дисс.д.т.н., 1996, 29 с. ■

53. Микоевич Н. Тенденции развития европейского рынка замороженных полуфабрикатов. // Империя холода, 2004, апрель, с. 31-32.

54. Миловзоров Г.В. Анализ инструментальных погрешностей инк-линометрических устройств. — Уфа: изд. Гилем, 1997, 184 с.

55. Мотин В.В. Разработка процесса и аппарата для замораживания мясных полуфабрикатов с использованием многозонной азотной системы. // Автореф. дисс.к.т.н., 1988, 19 с.

56. Патент РФ № 2131565. Способ обеспечения сохранности пищевых продуктов и установка для обеспечения сохранности пищевых продуктов (Венгер К. П., Ковтунов Е. Е., Мотин В. В. и др.). Опубл. в Б.И., 1999, № 1.

57. Патент РФ № 2144163. Устройство для замораживания и транспортировки продуктов сельского хозяйства растительного и животного происхождения (Венгер К. П., Выгодин В. А., Кузьмина И. А. и др.). Опубл. в Б.И., 2000, № 1.

58. Патент РФ № 2168123. Способ и установка для обеспечения сохранности пищевых продуктов (Венгер К. П., Бобков А. В., Фесысов О. А. и др.). Опубл. 27.05.2001, бюл. № 15.

59. Патент РФ № 2231721. Скороморозильный туннельный аппарат (Венгер К.П., Антонов A.A., Феськов O.A.). Опубл. 27.06.2004,бюл. №18.

60. Пирвердян А.М. Нефтяная подземная гидравлика. Баку, Азнеф-теиздат, 1956, 322 с.

61. Поговорим о криопродуктах. (Беседа с техническим директором АО «Гипрокислород»). // Холодильный бизнес, 2002, № 2, с. 4-5.

62. Пчелинцев С.А. Совершенствование процесса и оборудования быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием азотной проточной системы хладоснабжения. // Автореф. дисс. лс.т.н., 2001, 38 с.

63. Ришар A.A. Оптимизация режима холодильной обработки мяса. Автореф. дисс. к. т. н., Одесса, ОТИХП, 1983, 18 с.

64. Ручьев A.C. Совершенствование производства быстрозамороженной растительной продукции с использованием жидкого и газообразного азота. //Автореф. дисс.к.т.н., 2003, 23 с.

65. Рютов Д.Г., Христодуло Д.А. Быстрое замораживание мяса. М.: Пищепромиздат, 1936.

66. Семенов Б.Н., Акулов Л.А., Борзенко Е.И. и др. Применение азотных технологий в процессах охлаждения, замораживания, хранения и транспортирования скоропортящихся продуктов. Части 1 и 2. — Калининград: КГТУ, 1994.

67. Технология энергосберегающих измерений в жилищно-коммунальном хозяйстве и в домах — Датчики и системы, №2, 2005, с.37-38.

68. Федотова Т.А., Николаев О.М. Щитовые измерительные приборы российских производителей с цифровыми и линейными индикаторами Датчики и системы, №1, 2005, с.59-60.

69. Феськов O.A. Разработка проточной системы хладоснабжения газообразным азотом для холодильной обработки пищевых продуктов. // Автореф. дисск.т.н., 2002, 28 с.

70. Физико-технические основы холодильной обработки пищевых продуктов (под редакцией Э.И. Каухчешвили) — М.: Агропромиздат, 1985,253 с.

71. Фролов С.В., Борзенко Е.И., Ишевский A.J1. и др. Оптимизация процесса замораживания пищевых продуктов жидким азотом. — Вестник МАХ, 1999, вып.4.

72. Хазен М.М., Матвеев Г.А., Грищевский М.Е., Казакевич Ф.П. Теплотехника. М.: Высшая школа, 1981, 479 с.

73. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1979, 270с.

74. Шишкина Н.С., Лежнева M.JL, Карастоянова О.В., Венгер К.П., Фесысов O.A. Криогенное замораживание ягод, плодов и овощей. // Производство и реализация мороженого и быстрозамороженных продуктов, 2004, № 6, с. 34-37.

75. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Перевод с англ. Под ред. Лыкова A.B. Москва-Ленинград, Государственное энергетическое издательство, 1961, 680 с.

76. Юшин A.M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник, Том 3, М.: ИП РадиоСофт, 2000, 512 с.

77. Adressing static and dinamic errors in unit element multibit DACs // Electronics Letters, 2003, Vol. 39, # 14, p.1038-1039.

78. Grochowski A., Bhattacharya D., Viswanathan T.R., Laker K. Integreted circuit testing for quality assurance in manufacturing: history, current status and future trends // IEEE Trans, on Circuits and Systems II. 1997. Vol. 44, #8, p.610-633.

79. Macii D.A novel approach for testing and improving the static accuracy of high perfomance digital to - analog converters // Proc. of 8th Int. Workshop on ADC Modelling and Testing. Perugia, Italy, Sept. 2003, p.257-600.