автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование работы плиточного морозильного аппарата при замораживании пищевых продуктов в блоках

.ц^тонистерство общего и профессионального у ц - ' образования росийской федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

Шалапугин Сергей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ ПЛИТОЧНОГО МОРОЗИЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В БЛОКАХ

Специальность 05.04.03 - машины и аппараты холодильной

и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном университете прикладной биотехнологии

Научный руководитель: - доктор технических наук,профессор

Камовников Б.П.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Тихонов Б.С.

- кандидат технических наук, Квашнин Г.Г.

Ведущая организация - Всеросийский научно-исследовательский холодильный институт (ВНИХИ)

Защита диссертации состоится " /г^ " ^¿'/с^г/^^.^ 1997 г. в /^^асов на заседании диссертационно Совета К 063.46.03 при Московском государственном университете прикладной биотехнологии по адресу 109316, Москва, ул. Талалихина 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ

Автореферат разослан" к? " ^ 1997 г.

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

Г. П. Агеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, одной из наиболее важных задач, стоящих перед пищевой промышленностью, является задача создания энерго - и ресурсосберегающих холодильных технологий, обеспечивающих минимальные потери качества и массы продуктов питания, при одновременном увеличении объемов выпуска этих продуктов.

Решение этой задачи можно осуществить путем усовершенствования и интенсификации такой важнейшей операции холодильной обработки, какой является процесс быстрого замораживания. Между тем, используемыё на большинстве отечественных предприятий воздушные морозильные камеры, не обеспечивают режимов, которые можно было бы отнести к режимам быстрого замораживания.

Исключение составляют созданные зарубежными и российскими учеными скороморозильные аппараты с использованием следующих методов замораживания: воздушного, криогенного, в некипящих и кипящих жидкостях, а также метода контактного замораживания через металлическую поверхность.

Вопросы, связанные с исследованием, расчетами, разработкой конструктивного оформления и оптимизацией аппаратов, использующих первые три метода замораживания, достаточно полно рассмотрены в работах Венгер К.П. В тоже время, анализ литературных данных показал, что одним из наиболее перспективных способов обработки холодом блочных пищевых продуктов является замораживание в плиточных морозильных аппаратах (ПМА), что обусловило довольно широкое их внедрение на предприятиях мясной и особенно рыбной промышленности.

Такими учеными как Ионов А.Г., Горбатов В.М., Мекеницкий С.Я., Хромов В.И., Эрлихман В.Н. и др. выполнены широкие исследования по изучению влияния различных факторов (температура кипения и режим движения хладагента, толщина блока, давление подпрессовки, вид упаковки) на длительность процесса замораживания и адгезию блоков рыбы и мяса при их замораживании в ПМА.

Однако, в условиях рыночной экономики, при возникновении конкуренции на рынке замороженных продуктов на первое место выдвигается задача снижения затрат на их производство. Решение этой задачи возможно путем совершенствования работы морозильных аппаратов на базе оптимизации процесса замораживания.

Отсутствие, в настоящее время, разработок по оптимизации работы плиточных морозильных аппаратов делает актуальными исследования в данной области.

Цель работы. Совершенствование работы плиточных морозильных аппаратов при замораживании блочных пищевых продуктов методом

оптимизации.

Основные задачи работы. Поставленная цель определила следующие задачи работы:

- провести аналитические исследования и разработать математическую модель процесса замораживания блочных пищевых продуктоЕ контактным методом через металлическую поверхность;

- разработать и создать экспериментальный стенд, моделирующий в широком диапазоне условия теплообмена в плиточном морозильного аппарате;

- провести экспериментальные исследования с целью проверь адекватности результатов аналитических расчетов;

- обосновать выбор уетода и критериев оптимизации процессе замораживания в ПМА;

- выполнить расчеты по оптимизации работы ПМА для приняты> классов продуктов, подвергающихся замораживанию в аппаратах данного типа;

- практическая реализация результатов работы.

Научная новизна. Предложена математическая модель, учитывающая современные представления о процессе замораживания.

Модель представлена в безразмерных координатах, в критериальной форме для расширения диапазона ее практического использования при решении задач оптимизации.

Выведены расчетные формулы для частных случаев процесса замораживания: замораживание в термически тонком и толстом слоя> материала, быстрое замораживание и замораживание при отсутствт третьего характерного периода (домораживание).

Выполнены оптимизационные расчеты ПМА периодического (вертикально- и горизонтально-плиточные аппараты) и поточно-цикли ческого (роторные) принципа действия по критериям максимума про извод ительности и минимума приведенных затрат для принятых клас сов пищевых продуктов.

На основе выполненных расчетов определен ассортимент про дуктов, наиболее приемлемых для замораживания в плиточных аппа ратах различных типов.

На базе экспериментальных исследований определен коэффи циент термической проводимости в контактной паре поверхность продукта - плита.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационно1 работы использованы при разработке исходных требований на аппа рат контактного замораживания рыбы в блоках через металлическук поверхность и роторный аппарат контактного замораживания чере: металлическую поверхность мяса и мясопродуктов и переданы Ма рийскому СКТБ ТХО.

Опубликована обзорная информация "Методы оценки эффекгив-носш охлаждающих систем производственных холодильников", кото-рая используется в учебном процессе на кафедре "Холодильная тех-ника" МГУПБ для студентов специальности 070200.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались:

- на Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству", ЛТИХП, Ленинград, 1991 г.

- на областной конференции "Проблемы новаторской деятельности ученых, изобретателей и других творческих работников в условиях реформирования экономики", СГУ, Саратов, 1996 г.

- на научной конференции профессорско-преподавательского состава СГАВМиБ, Саратов, 1996 г.

- на заседании кафедры "Холодильная техника", МГУПБ, Москва, 1997 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 116 наименований и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальности темы, определены цель и задачи настоящей работы.

В первой главе рассмотрены существующие методы оптимизации и используемые в настоящее время математические модели и расчетные формулы определения длительности процесса замораживания.

На основе анализа литературных данных обоснован выбор способа холодильной обработки (быстрое замораживание в морозильных аппаратах плиточного типа). В качестве объектов замораживания выбраны мясо и рыба в блоках.

Изучение структуры затрат на быстрозамороженные продукты в плане ресурсосбережения показало, что эти затраты имеют материа-лоемкую структуру, причем, потери от усушки при замораживании достигают 80 % от общих затрат.

Исследования различных стратегий снижения усушки с применением квалиметрических методов анализа позволили определить, что наилучшей стратегией, применительно к задачам настоящей работы, является минимизация длительности процесса замораживания.

Рассмотрение и сравнительный анализ способов оптимизации, применяемых в холодильной технике, таких как технико-экономический, энергетический, термоэкономический и метод поэтапной опти-

мизации показали, что для решения поставленных задач наиболее приемлем метод поэтапной оптимизации.

На основе анализа применяемых в современной технике и технологии расчетных формул для определения длительности процесса замораживания обоснована необходимость разработки математической модели, которая учитывала бы практически все ранее изученные особенности процесса. При этом, расчетные формулы длительности процесса замораживания должны быть по форме аналогичны формуле Р. Планка, так как такая форма максимально соответствует методу поэтапной оптимизации.

Во второй главе разработана математическая модель процесса замораживания продуктов в плиточном морозильном аппарате и получены расчетные формулы для определения длительности данного процесса.

Исследуется процесс замораживания неограниченной симметричной пластины толщиной 25, от начальной температуры ^ до заданной конечной среднеобъемной при постоянной температуре охлаждающей среды Теплофизические характеристики каждой из зон (незамороженной и замороженной) считаются постоянными. Коэффициент термической проводимости а в контактной паре поверхность продукта - поверхность плиты также принимается постоянным и зависящим от усилия прижима плит.

Тепловой поток q, отводимый от объекта замораживания в охлаждающую среду, складывается из 2-х составляющих: тепловой поток от фронта кристаллизации и от замороженной зоны При этом тепловой поток также содержит две составляющие: тепловые потоки вследствие вымораживания остаточной влаги в замороженной зоне и вследствие понижения теплоемкости в этой зоне при уменьшении ее среднеобъемной температуры.

Весь процесс замораживания условно делим на три периода:

- период охлаждения х,: от момента х=0 помещения объекта в охлаждающую среду до момента х=х,достижения температурой поверхности объекта ^ криоскопического значения ^^ ;

- период кристаллизации (замораживания)хп = х2- х,: от момента т, до момента х=т2 снижения температуры в термическом центре объекта ниже криоскопической 1:ц<1:кр;

- период домораживания хш= х - х2: от момента т2 до момента достижения среднеобъемной температурой объекта\ заданного значения

После ряда преобразований на основе принятых допущений получено выражение, являющееся математическим описанием в общем виде процесса замораживания в обобщенных переменных:

[1 / VI 1 + 1/ВГ +1/В1 1+_.(1 +---^-- (1)

Используемые в выражении (1) безразмерные переменные и критерии выражаются следующим образом:

В|ф=а-Хкр/^ (2); = «-Х/л (3)

Т =а,-у/(1о-д (4); Тф = акр-у/ао-у (5)

Г* =Х/6 (6); ' Я =Х /5 (7)

V V \ ф кр V >

с сИ г • № (¡и

Далее представлены выражения для определения длительности каждого характерного периода замораживания: Период охлаждения т.:

5

Г 5 / 1 5 \ Т[ = С'.р'.^—:— ./— + —-\ х

\!У7Г+1 А/.лГТГм )

(п + 1) • (10 - д

х 1п-—--(10)

Ро, = (1 +1/вд-1пт¥ (11)

Период замораживания (образования и движения зоны кристаллизации) т :

/б-ау 1У*+ЩЛ-Ц] >- / с ч х„ = р • г • \Л/ • <--------(а--V х

I а2 У W.rj

[а-5 / а-8 \"П

— Ттг)]/ (,2)

1 Г1 + ВШ /1 \ Г 1 1

Ро =--{--Т +(--1).---х

В1„ I ЯЬ \ кь /I 2 в\п

Период домораживания тп:

т|И= Р • (с - г • \Л/ • ау)У—— + — V 5 • (14)

\ ос 2 А. /

Ром = (1 + ШЬ)- [1 + 1/(2 ■ Вг.)] • 1пТ (15)

Легко видеть, что все три выражения (10), (12) и (14) приводятся по форме к уравнению Р.Планка вида:

т = А • 82+ В - б, (16)

что и требовалось для упрощения решения задач поэтапной оптимизации.

Как теоретический, так и практический интерес представляют частные случаи процесса замораживания. Выполнен анализ и выведены расчетные формулы для следующих частных случаев процесса замораживания: замораживание в термически тонком и толстом слоях материала, быстрое замораживание при практическом отсутствии периода охлаадения и замораживание при отсутствии периода домора-живания. Полученные формулы для расчета длительности периодов замораживания также представлены как в размерных величинах, так и в обобщенных переменных.

Для прикидочных и экспресс расчетов, а также для использования в приближенных расчетах по оптимизации ПМА получены (на основании дополнительных допущений) упрощенные зависимости для определения длительности второго и третьего характерных периодов:

т 1;=02. 5-(1/а +5/(2-Щ (17)

где:02 = г-Р-Дсй2.\Л//(1кр-у;

2 -р - 5 • [с- (К - О + г- УУ- Дсо3] • (1/а + 8/(2 • /.))

и + * „ ~ 2 1

ук

(18)

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса быстрого замораживания блоков мяса и рыбы контактным методом через металлическую поверхность, проведенные на кафедре "Холодильная техника" МГУПБ.

Целью экспериментальных исследований являлась проверка на адекватность математической модели (п, ху...), разработанной во второй главе, а также определение границ ее применения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать методику проведения экспериментов;

- разработать методику, позволяющую на основе полученных экспериментальных данных вычислить значения ключевых величин, используемых в разработанной во второй главе математической модели, подтвердить правомерность принятых допущений;

- создать экспериментальный стенд и оснастить его контрольно-измерительной аппаратурой;

-исследовать процесстеплообмена при контактном замораживании

через металлическую поверхность блоков мяса и рыбы;

- на базе проведенных исследований определить продолжительность замораживания блоков в зависимости от их толщины и темпе-ратуры поверхности плит;

- на основе сравнения с полученными экспериментальными данными оценить расчетные ошибки точных ((10), (12), (14)) и упрощенных ((17),(18)) формул;

- с использованием обратных методов определить термическую проводимость в контактной паре поверхность продукта - плита.

Для нахождения величин п, 1у, Ху разработан метод трех температур. Он основан на обработке термограмм, построенных по данным от трех термопар, установленных в блоке продукта. При этом должно соблюдаться два условия:

- термопары размещаются в трех промежуточных (между термическим центром блока и его поверхностью) точках;

- в момент т все три температурные точки должны находиться в одной и той же зоне материала - замороженной или незамороженной.

После ряда преобразований были получены расчетные формулы для нахождения коэффициента "п". Для варианта с размещением термопар между термическим центром блока и его поверхностью получена формула:

1пХ,-1пХ2

В случае, когда измеряются три температуры: в термическом центре материала с координатой X = Хц (у, на его поверхности X = 0 и в некоторой промежуточной точке 0 < Хпр< Хц, расчет производится по формуле:

п =-\JL-Ji-^ (22)

1пХ - 1пХ

ц пр

Координата Ху термического центра среднеобъемной температуры

Ху = 8-(п + 1)"1/п (23)

Среднеобъемная температура ^ в произвольный момент времени процесса т находится по формуле:

1 =-${Х-С1х=-?-1 (24)

Р ох п+1

Я - определяющий геометрический размер (для первого и третьего периодов - б, для второго - X );

I - температура точки материала с координатой Р (для первого и третьего периода -1 , для второго -

Для исследования процесса замораживания контактным методом через металлическую поверхность был создан экспериментальный стенд моделирующий условия теплообмена в ПМА. Принципиальная схема стенда представлена на рисунке 1.

Основными элементами стенда являются теплоизолированная камера 1 и две плиты: нижняя 2 и верхняя 3. Плиты выполнены из за-

Рис. 1. Схема экспериментального стенда 1 - теплоизолированная камера; 2- нижняя плита; 3- верхняя плита; 4- направляющие верхней плитьг, 5- сосуд Дьюара, 6- электронагреватель, 7- термометры сопрвтттлення; 8- ло-гометры; 9- соленоидные вентили; 10- термопары хромель -копелевые; И-груз; 12-блок продукта в окантовке; 13-потекциометры КСП - 4

готовок, применяемых в отечественных морозильных аппаратах типа АРСА, УРМА, MAP. Они имеют каналы прямоугольной формы размером 11 х 22,5 мм. Материал плит - сплав АД-31 (ГОСТ - 4184-65). Нижняя плита закреплена жестко, а верхняя плита за счет направляющих 4 может перемещаться по вертикали. Такая конструкция дает возможность замораживать блоки толщиной от 3-Ю 2 м до 2-10'1 м. В качестве холодильного агента, позволяющего поддерживать необходимую температуру поверхности плит, использовались пары азота. Подача паров осуществлялась из сосуда Дьюара 5, под давлением 0,5 кг/см2, создаваемым с помощью электронагревателя 6.

Для поддержания требуемой температуры поверхности плит использовано двухпозиционное автоматическое регулирование, автономное как для нижней, так и для верхней плиты. Диапазон регулирования составил +1...-10 С. Давление подпрессовки создавалось с помощью груза 11.

Исследования проведенные Ионовым А.Г., Мекеницким С.Я., Горбатовым В.М., Хромовым И.И. доказали, что оптимальным является

давление подпрессовки 0,005...0,006 МПа, так как позволяет сократить продолжительность замораживания за счет уменьшения воздушных прослоек без деформации продукта. В связи с этим, при проведении всех экспериментов создавалось постоянное давление подпрессовки, равное 0,005 МПа.

Объектом исследования служили блоки мяса и рыбы следующих размеров (мм): мяса - 550 х 230 х 75; 370 х 240 х 75; 370 х 240 х 60 и рыбы - 550 х 230 х 105; 550 х 230 х 60. Замораживание производилось при температуре поверхности плит минус 30 и минус 40°С.

Блоки мяса замораживались от начальной тепературы 18° С до конечной среднеобъемной минус 18°С.

Блоки рыбы замораживались от начальной температуры 25° С до конечной среднеобъемной минус 25°С.

В ходе эксперимента измерялись следующие характеристики: температура по толщине блока в пяти или девяти точках и плотность теплового потока от верхней и нижней поверхности блока продукта. Измерение температуры по толщине блока продукта производилось с помощью батареи хромель-копелевыхтермопар с диаметром рабочего спая 0,3 х 10"3м.

Плотность теплового потока измеряли с помощью двух датчиков теплового потока, разработанных в Киевском технологическом институте пищевой промышленности Федоровым В.Г..

В результате проведенных экспериментов были построены термограммы процесса замораживания мяса и рыбы, а также кривые изменения плотности теплового потока с нижней и верхней поверхностей блока. На их основе построены номограммы для определения параметров процесс.') замораживания блоков мяса (рис. 2) и рыбы (рис. 3).

Также, с использованием термограмм, строились изохроны процесса замораживания. По результатам обработки изохрон методом графического интегрирования были построены графики изменения среднеобъемных температур.

На основе экспериментов проведена проверка адекватности разработанной математической модели реальному процессу замораживания. Так, погрешность расчетов времени замораживания по точным формулам (11) и (13) составила 7,5...11 %, а по упрощенным зависимостям (17) и (18) - 11...14 %, что доказывает возможность их применения для расчетов длительности процесса замораживания и правомерность использования в четвертой главе.

Четвертая глава посвящена разработке методов оптимизации ПМА. Для решения этой задачи выбран метод поэтапной оптимизации, использовавшийся ранее в пищевой промышленности при оптимизации сублимационных установок (Б.П. Камовников, А.М. Бражников) и

1800

1600 1400

1200

1000

« J ЫШ) 180 150 120 90 60 30 0

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5 , мм

Рис. 2. Номограмма определения параметров процесса замораживания гоьяжьего мяса. 1 - температура плпт минус 30° С, 2 - температура гаигт минус 40 0 С. q,BT/M2 1200 1100 1000 900 800 70 0

т, мин 400 350 300 250 200 150 100 50 0

0 10 20 30 40 50 60 70 S0 90 100 110 120 130

б , мм

Рис. 3. Номограмма определения параметров процесса замсражшанпя блоков рыбы в металлической форме . 1 - температура гшит минус 30° С; 2 - температура плит минус 40° С.

скороморозильных аппаратов (К.П. Венгер). В качестве критериев оптимизации приняты максимум производительности морозильного аппарата и минимум приведенных затрат на процесс замораживания.

При этом показано, что первый критерий может быть как локальным по отношению ко второму, так и самостоятельным, в том случае, когда рынок замороженных продуктов ненасыщен или наблюдается нехватка морозильных аппаратов (в частности, в периоды сезонной переработки продукции).

у 2

г

I

1

--

----- I I _._г— -

— - --- ---

!

При оптимизации ПМА по максимуму производительности определялась зависимость производительности аппарата от характеристик объекта замораживания и оборудования и находился максимум этой функции. В качестве варьируемых параметров выбраны: температура охлаждающей среды 15; термическая проводимость в зоне контакта плиты с продуктом а и определяющий геометрический размер объекта замораживания 5. Исследование функций О = С = С(а) и С=С(5) на экстремум показало, что С = С(у и в = в(а) не имеют экстремума, а функция в = С(5) имеет единственный максимум при оптимальном значении 5 = 5 , определяемого по формуле:

= (25)

Для определения максимальной производительности Стах плиточных аппаратов периодического действия (ПМА горизонтального и вертикального типа) и для аппаратов поточно-циклического типа (роторные ПМА) соответственно получены выражения:

2-и-п

<26)

2-и п

(6ор;) = _ (27)

В +2-Щ/Г)

А = А-п ; В = В-п ;

н ц' н ц1

и = р. Э • к ; и = ЬЬ -К -Р

Г ЦН э Э *

Для определения вида продукта, обеспечивающего максимальное значение производительности ПМА, произведена разбивка продуктов (метод К.П.Венгер) по двум критериям: физическая природа продукта (мясо, птица, рыба, ягоды, овощи) и его влажность. Результаты расчетов на максимум производительности по классам продуктов для обоих типов ПМА представлены в виде гистограммы (рис. 4).

Ее анализ позволяет сделать следующие выводы:

- максимум производительности, приведенный к 1 м2теплообменной поверхности, у аппаратов поточно-циклического типа выше в четыре раза, чем у аппаратов периодического действия;

- в аппаратах поточно-циклического типа наиболее целесообразно подвергать замораживанию продукты группы "мясо";

- в аппаратах периодического действия наиболее целесообразно замораживать продукты групп "мясо", "овощи" и "ягоды".

- в аппаратах обоих типов нецелесообразно замораживать продукты группы "птица".

Таким образом, полученная гистограмма позволяет решать задачи оптимального выбора как типа морозильного аппарата, так и класса

продукта замораживаемого в этом аппарате.

Рис. 4. Гистограммы максимумов производительности ПМЛ при замораживании основных классов продуктов. 1 - мясо; 2 - тгпща; 3 - рыба; 4 - ягодьг, 5 - овощи.

Следующим этапом принятого метода поэтапной оптимизации является оптимизация ПМА по минимуму приведенных затрат на замораживание. Базовая формула определения приведенных затрат:

3 = (С + К • Е)ЛЗ (28)

Для упрощения расчетных зависимостей приведенные затраты отнесены к одному часу работы морозильного аппарата.

Основные допущения:

- все эксплуатационные расходы С пропорциональны производительности аппарата С:

С = С, + С2-С; (29)

- капитальные затраты линейно зависят от установленной (проектной) холодильной мощности затрачиваемой в аппарате:

- Е • К = К, + К2- Ny. (30)

Эмпирические коэффициенты С,, С2, К,, К, определялись статистической обработкой пакета технико-экономических характеристик морозильных аппаратов, содержащихся в проектах, рекламных проспектах и другой технической литературе. Полученные коэффициенты корреляции (rc/G =0,81 и rEK/Ny =0,71) подтверждают наличие связи между показателями С и G, а также ЕК и Ny;

- в ПМА периодического действия установленная мощность N расходуется только в начале периода хи, когда термическое сопротивление отводу теплоты из материала минимально.

- в ПМА непрерывного (поточно-циклического) действия максимальная холодильная мощность расходуется в конце первого оборота, когда домораживаются первые блоки и загружаются последние.

Длительность цикла замораживания была представлена в виде: Х=Х+Х=Х+Х (31)

Ц К П 3 н v '

хз - длительность части цикла, которая зависит от Ny, ч; хн- длительность части цикла, не зависящая от Ny, ч. тп - длительность паузы между циклами, ч.

Сформулированные допущения позволили определить расчетные зависимости и рассчитать оптимальные значения N =(Ny)opt (для ПМА периодического действия) или Nnax = (Nmgx) (для ПМА непрерывного "действия) и других показателей, при которых достигается минимум приведенных затрат. Результаты расчетов сведены в таблицу 1. Расчетные формулы для ПМА периодического действия:

T = D'3/Ny;

D^r-p-W-Aoy^.S-K,/^; G = U-б/т = D. /(D./N + x );

ц ц 6 v 3 у н''

G4 = D6-Ny/(D'3 + Ny.xH); (32)

D6=P-S-K •§.

Для ПМА непрерывного действия:

х = D, /N ;

з 3 пгх'

Gn-н = D -N /(D, + N -х ). (33)

" 6 max 4 3 max н' v '

Выражения (32) и (33) совместно с (28), (29), (30) и (31) являются исходными для решения поставленной задачи. Формулу (28) с учетом (29), (30), (31) и (32) представим в виде:

Зп = F, + F, -Ny + F3/N7 (34)

f" = с2 + [(С, + К^-^ +/K2-D3]/(nr -D6);

К2-хн (С1+К,)-Р3 F,=-; F--

" n Dr n -D.

г 6 Г 6

Таблица 1.

Расчетные результаты оптимизации по минимуму приведенных затрат на быстрое замораживание штучных продуктов в ПМА

Класс продукта Тип плиточного аппара та Удвоенный опред. геом. размер 25гог, Температура охлаждающей среды Коэффи циент термин, проводимости аср>' Вт/м2-К Длительность процесса замо-ражив. Wopt Часть не зависящая от N« мин. Часть (Уор. зависящая от Nop, (h) op. Длительность цикла замораживания Удельная ус-тан. мощность Вт/м2 Удельные капитальные затраты ЕЛР„ руб Удельная производительность G„p, кг . Удельные текущие (экспл.) расходы opt1 руб Привед. затраты на замораживание прод. эви. руб/кг

м "С мин. МИН. мин. (ч*м2) (ч-м2) (Ч-М2)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 Мясо 0,010 -40 250 5,4 0,2 5,2 5,4 561,1 1,18 47,0 2,35 0,088

2 Птица Непре- 0,010 -40 250 5,0 0,1 4,9 ' 5,0 338,8 0,71 30,9 2,36 0,064

3 Рыба рывного дей- 0,010 -40 250 5,6 0,2 5,3 5,6 502,5 1,06 34,4 2,35 0,084

4 Ягоды ствия 0,020 -40 250 15,6 0,3 15,3 ' 15.6 386,7 0,82 33,3 2,30 0,100

5 Овощи 0,020 -40 250 15,9 0,3 15,6 15,9 , 421,6 0,89 32,9 2,30 0,106

1 Мясо 0.050 -40 250 67,4 0,2 112,3 112,4 120,7 0,26 11.3 2,21 0,195

2 Птица Периодиче- 0,050 -40 250 69,6 0,1 114,5 114,6 69,9 0,15 6,7 2,20 0,187

3 Рыба ского 0,050 -40 250 67,6 0,2 112,4 112,6 109,6 0,23 8,5 2,21 0,190

4 Ягоды действия 0,050 -40 250 93,3 0,3 138,0 138,3 128,8 0,27 11,2 2,21 0,198

5 Овощи 0,050 -40 250 93,3 0,3 138,0 138,3 141,6 0,30 11,3 2,21 0,200

Выражение (34) справедливо для ПМА периодического действия.

Зн = Р1 + + Р3/Ыу= (35>

В результате анализа (35) на экстремум, для аппаратов периодического действия получены следующие формулы:

(1ЧАр< = (36)

(Сч)ор, =06/(т, + ^.л/^); (37)

(ЕК)вр, = К, + (38)

сор! = с, + с2-0е^„ + °з-^з); (39)

; (40)

(*,)«*= о,-^,; (41)

= (42)

(3п)т,„ = Р.+2-^з. (43)

Аналогичные выражения получены для ПМА непрерывного действия (тп= 0). Результаты расчетов по формулам (36) -г (43) и формулам для ПМА поточно-циклического принципа действия, сведены в табл.1.

По данным табл. 1 (столбец 14) построена гистограмма минимумов приведенных затрат на процесс замораживания в плиточных аппаратах периодического и непрерывного (поточно-циклического) принципа действия, представленная на рис. 5.

Анализ полученных результатов и построенной гистограммы позволяет сделать следующие выводы:

- минимумы приведенных затрат на замораживание в плиточных морозильных аппаратах непрерывного (поточно-циклического) типа в 2...3 раза меньше (столбец 14, табл. 1), чем в ПМА периодического действия, что доказывает преимущество аппаратов роторного типа ;

- удельные капитальные затраты на ПМА поточно-циклического типа в 3...4 раза выше, чем на ПМА периодического действия (столбец 11), что связано с большей трудоемкостью изготовления роторных аппаратов, имеющих более сложную конструкцию;

- удельные текущие затраты на эксплуатацию ПМА обоих типов практически одинаковы (столбец 13). Как видно из таблицы, значения удельных эксплуатационных затрат для аппаратов роторного типа несколько выше аналогичных показателей аппаратов периодического типа. Это связано с тем, что установленная мощность (столбец 10) в ПМА роторного типа используется в течение всего периода непрерывной работы, а не только во время замораживания термически тонкого слоя, как это происходит в аппаратах периодического действия;

- минимальные значения приведенных затрат, как в аппаратах непрерывного, так и периодического типа, наблюдаются при замора-

живании продуктов классов "птица", "мясо" и "рыба". Максимальные значения приведенных затрат ожидаются при замораживании продуктов классов "овощи" и "ягоды".

рЧП'К! I |

Рис. 5. Гистограммы минимумов прнведешсых затратна замораживашгс продуктов основных классов в ПМА 1 - мясо; 2 - ггппда; 3 - рыба; 4 - ягоды; 5 - овощи.

Как видно из гистограмм, представленных на рис. 4,5, ПМА роторного типа имеют, с одной стороны, максимальную производительность, а с другой стороны, минимальные приведенные затраты. Это позволяет подтвердить правомерность предположения, что критерий Спах

является локальным по отношению к более общему критерию 3^.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована необходимость совершенствования работы морозильных аппаратов, использующих метод контактного замораживания через металлическую поверхность на базе их оптимизации.

2. Разработана математическая модель процесса быстрого замораживания, представленная как в обобщенных переменных, так и в размерных величинах.

Выведены расчетные формулы определения длительности процесса замораживания для следующих частных случаев: замораживание в термически тонком и толстом слоях материала, быстрое замораживание при практическом отсутствии периода охлаждения и замораживание при отсутствии периода домораживания.

Для прикидочных и экспресс расчетов, а также для использования в приближенных расчетах по оптимизации ПМА получены (на основании дополнительных допущений) упрощенные зависимости для определения длительности второго и третьего характерных периодов процесса замораживания.

4. Создан Экспериментальный стенд, моделирующий условия быстрого замораживания в плиточном морозильном аппарате .

5. Проведены экспериментальные исследования по замораживанию блоков мяса и рыбы и получены зависимости длительности процесса замораживания и плотности теплового потока от толщины блока и температуры охлаждающих плит. На основании обработки и анализа экспериментальных данных, установлена адекватность принятой модели реальному процессу быстрого замораживания. Расчетные ошибки по выведенным формулам не превышают 14 %. Одновременно в ходе экспериментов получены необходимые данные, предназначенные, в качестве исходных, для оптимизации процесса быстрого замораживания.

6. Предложен метод оптимизации процесса быстрого замораживания в ПМА по критерию максимума удельной производительности аппарата. Установлено, что максимум удельной производительности у аппаратов поточно-циклического типа в четыре раза выше, чем у аппаратов периодического действия. Определено, что для получения максимума производительности в аппаратах поточно-циклического типа наиболее целесообразно подвергать замораживанию продукты

класса "мясо", а в аппаратах периодического действия - "мясо", "овощи" и "ягоды".

7. Предложен метод оптимизации процесса быстрого замораживания в ПМА по критерию минимума приведенных затрат. Установлено, что максимум максиморум приведенных затрат аппарата достигается при переработке продуктов классов "мясо","овощи","ягоды", а наилучшие показатели по этому критерию следует ожидать при замораживании классов "рыба" и "птица". Показано, что минимум приведенных затрат у аппаратов поточно-циклического действия в2...3 раза ниже, чем в аппаратах периодического типа.

8. Результаты настоящего исследования использованы при разработке исходных требований на аппарат контактного замораживания рыбы в блоках через металлическую поверхность и роторный аппарат контактного замораживания через металлическую поверхность мяса и мясопродуктов и переданы Марийскому СКТБ ТХО.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Камовников Б.П., Шалапугин C.B. Методы оценки эффективности охлаждающих систем производственных холодильников: Обзорн. информ,- М.: АгроНИИТЭИММП, 1990,- 44 с.

2. Камовников Б.П., Шалапугин C.B., Крылов Б.Ю., Глухман В.Н. Исследование процессов замораживания и сушки пищевых продуктов методом трех температур /НТИ сборник "Холодильная промышленность". - М.: АгроНИИТЭИММП, 1991. Вып. 2,- С. 1-3.

3. Венгер К.П., Камовников Б.П., Ковтунов Е.Е., Шалапугин C.B. Классификация объектов замораживания в морозильных аппаратах модульного ряда /НТИ сборник "Холодильная промышленность". - М.: АгроНИИТЭИММП, 1991. Вып. 3,- С. 10-13.

4. Камовников Б.П., Шалапугин C.B., Крылов Б.Ю., Глухман В.Н. Обобщенный анализ и оптимизация процессов консервирования пищевых продуктов методами замораживания и сушки/НТИ сборник "Холодильная промышленность".- М.: АгроНИИТЭИММП, 1991. Вып. 4. - С. 1-5.

5. Камовников Б.П., Венгер К.П., Шалапугин C.B. Разработка метода расчета длительности периода домораживания с учетом процессе кристаллизации остаточной влаги/Холод-народному хозяйству:Тез докл. Всесоюзн. научно-техн. конф,-Л.: ЛТИХП, 1991,-С. 210.

6. Шалапугин C.B., Камовников Б.П., Крылов Б.Ю. Использование

метода трех температур в периоде движения фронта кристаллизации при замораживании /НТИ сборник "Мясная и холодильная промышленность",- М.: АгроНИИТЭИММП, 1994. Вып. 3,- С. 20-24.

7. Шалапугин C.B., Камовников Б.П. Анализ производительности плиточного морозильного аппарата (ПМА) по классам объектов замораживания/Проблемы новаторской деятельности ученых, изобретателей и других творческих работников в условиях реформирования экономики: Тез. докл. на обл. научно-техн. конф.-Саратов, 1996. - С. 206207.

8. Шалапугин C.B., Камовников Б.П. Представление процесса замораживания в обобщенных переменных Яез. докл. научно-произв. конфер. профессорско-преп. сост., аспир. и стажеров,- Саратов: СГАВМиБТ, 1996,-С. 8-10.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

t-те.мпература, °С Д-коэффициент теплопроводности , Вт/(м-К);с-удельная теплоемкость, кДж/(кг-К); р - плотность блока продукта, кг/м3; W-относительная влажность, дол. ед.; г-удельная теплота фазового перехода, кДж/(кг-К); 25- толщина блока, м; а-коэффициент термической проводимости в контактной паре поверхность продукта - поверхность охлаждающей плиты, Вт/(м2-К); т-время (длительность процесса), ч;Х-текущая координата материала по нормали к поверхности, м; со -количество вымороженной влаги, кг/кг; Т- безразмерная температура; R -безразмерный геометрический размер; Bi, Fo, Rb- критерии Био, Фурье, Ребиндера; av - эмпирический коэффициент, К1; Gu - часовая производительность цикла плиточного морозильного аппарата (ПМА) периодического действия, кг/ч; S- площадь рабочей поверхности грузовой камеры под загрузку сырьем, м2; К - коэффициент заполнения площади сырьем; L-длина окружности ротора, м; bs-длина плиты, м; G - часовая производительность ПМА непрерывного действия за один цикл работы, кг/ч; пг - среднее количество часов работы ПМА за календарный год, ч/год; G - производительность ПМА, кг/ч; 3 - приведенные затраты, руб/кг; пц - количество условных партий продукта, проходящих через ПМА за время непрерывной работы; Лт2 - количество влаги, вымороженное во втором периоде, кг/кг; Дт3- количество влаги, вымороженное в третьем периоде, кг/кг; N - мощность ПМА, Вт; С-текущие (эксплуатационные) часовые расходы, руб/ч; К- капитальные

затраты, руб/ч; Е- нормативный коэффициент эффективности, 1/ч; hx - КПД морозильного аппарата.

Индексы: кр- криоскопическая; ф --фронт кристаллизации; V- среднеобъемная; s- охлаждающей среды; о- начальная; I - охлаждения; II-замораживания; Ш-домораживания;'- незамороженная зона продукта; vk- конечная (заданная) среднеобъемная; v2- среднеобъемная во втором периоде; ц - центр; пр - промежуточная; п - поверхности; г - годовая; max- максимальная; н - непрерывная; у- установленная; opt - оптимальная.