CC BY
0УДК641.664.8.037.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ НЕРАЗДЕЛАННОЙ ПРОМЫСЛОВОЙ ФОРЕЛИ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА
Е.Н. Неверов
В статье представлены результаты исследований по охлаждению форели в аппарате работающем на диоксиде углерода в результате которых, получены изменения температурного поля, кинетика теплоотвода и расход СО2 при охлаждении тушек форели газообразным диоксидом углерода с температурами в аппарате -30°С, -50°С и -70°С и снегообразным СО2. Произведено сравнение работы аппарата на газообразном и снегообразном СО2.
Ключевые слова: Рыба, форель, диоксид углерода, сублимация, температурное поле, плотность теплового потока, теплопроводность, температура, изотермы, теплота, аппарат, расход.
Рыба и рыбная продукция относится к категории скоропортящихся продуктов. Для сохранения и доставки улова к рыбоперерабатывающим предприятиям, а также рыбопродукции конечному потребителю без существенной потери качества, на всех этапах необходимо применение холода. При этом традиционные методы холодильной обработки рыбы не позволяют без ухудшения ее качества обеспечить длительное время хранения в охлажденном виде.
Для решения сложившейся проблемы ряд ученных как в России, так и за рубежом разрабатывают различные методы и технологии для холодильной обработки рыбы.
На наш взгляд наиболее перспективным решением данной проблемы является применение диоксида углерода для охлаждения рыбы контактным способом, что способствует увеличению сроков ее хранения без существенного ухудшения качества [2].
В нашей стране этот метод пока не находит широкого применения для холодильной обработки рыбы. Причиной, сдерживающей его использование в широком масштабе, является значительный расход СО2 при холодильной обработки продуктов и высокая стоимость хладагента [4].
Нами разработана модель аппарата для холодильной обработки рыбы в среде диоксида углерода, позволяющая добиться повышения производительности и более эффективного применения диоксида углерода, путем увеличения интенсивности теплообмена и подачи газообразного диоксида углерода с постоянно низкой температурой (рис. 1) [1].
Рисунок 1 - Схема аппарата для холодильной обработки рыбы в среде диоксида углерода: 1 - форсунки; 2 - коллектор; 3 - трубопровод для подачи жидкого СО2; 4 - цилиндрическая перфорированная решетка; 5 -охлаждающие трубы Для этого, по всей высоте аппарата устанавливаются форсунки 1 встроенные в коллектора 2, отстающие друг от друга на 90о, которые соединены между собой трубопроводами для подачи жидкого криоагента 3, который после прохождения форсунок непосредственно попадает на продукт, такая система называется «контактной».
Для устранения соприкосновения продукта с форсунками в корпусе аппарата предусмотрена цилиндрическая перфорированная решетка 4, которая образует полый цилиндр, внутри которого перемещается продукт, смешанный совместно с мелкими дисперсионными частицами диоксида углерода, вылетающими из сопел форсунок 1. Перемещение продукта подвергаемого холодильной обработке производится непосредственно по горизонтальным охлаждающим трубам образующим винтовую поверхность 5, при помощи прилегающих к охлаждающим трубам роликов 6, что позволяет также повысить интенсивность теплообмена, такая система получила название «бесконтактной».
Для снижения расхода криоагента в схеме предусмотрены две автономные системы охлаждения аппарата, которые позволяют производить рециркуляцию диоксида углерода. Одна работает в непосредственном контакте продукта с диоксидом углерода, а вторая, в замкнутом контуре, что расширяет технологические возможности аппарата, и обладает более высокой производительностью за счет использования комбинированного охлаждения при замораживании. Аппарат позволяет производить холодильную обработку рыбы диоксидом углерода находящимся как в газообразной фазе, так и в снегообразной.
При проведении мониторинга в торговой сети Сибирского региона выявлено, что в последние годы наблюдается тенденция, к увеличению потребления охлажденной форели. Это связано с тем, что население в последние годы стало все больше и больше обращать внимание на здоровое питание, а форель как нельзя лучше вписывается в эту тенденцию. Состав данной рыбы многообразен. В него входят полиненасыщенные жирные кислоты омега-3, полный спектр незаменимых и заменимых аминокислот, витамины всех групп, йод, железо, фосфор, селен. Причем они настолько сбалансированы, что невозможно найти такую же гармонию полезных веществ, характерную какому-либо другому продукту. По стоимости рыба относиться к дорогим сортам, что приводит к повышенным требованиям к срокам ее хранения [2].
С целью реализации предложенного аппарата в промышленности, на нем была проведена производственная проверка его работы в нескольких режимах: охлаждение форели в среде газообразного и снегообразного диоксида углерода.
Основными задачами экспериментов являлось установление характера изменения
температурного поля, определение времени охлаждения форели, плотности теплового потока и расхода диоксида углерода при различных температурах в аппарате и фазовых состояниях подаваемого в аппарат СО2.
Первая серия исследований проводилась с форелью массой 1,82±0,05 кг.
Схема расположения термопар и термограмма процесса охлаждения тушки форели массой 1,82±0,05 кг, при температуре -50°С
Рисунок 2 - Термограмма процесса охлаждения форели газообразным диоксидом углерода, при температуре в аппарате -50±2°С
Время охлаждения рыбы составило 64 минуты, при расходе диоксида углерода 3,54 кг.
Анализ характера изменения температурного поля показывает, что процесс охлаждения наружного слоя тушки форели происходит довольно интенсивно в связи с тем, что поверхность рыбы находится в непосредственном контакте с газообразным СО2 до 30 минут, после чего интенсивность снижения температуры падает, в связи с тем, что начинается процесс фазового перехода, при котором начинают образовываться кристаллы льда и происходить скрытое тепловыделение.
Охлаждение центральной части тушки происходит за счет теплопроводности через наружные слои, т.к. из рыбы не удалены внутренние органы. Процесс аналогичен охлаждению поверхностных слоев, но продолжительность увеличивается на последнем этапе охлаждения до 28 минут.
В связи с отсутствием контакта с диоксидом углерода, охлаждение внутреннего слоя тушки рыбы происходит менее интенсивно, это объясняется теорией о распространении температурного поля от поверхности продукта к его центру [5].
На рисунке 3 показана диаграмма изменения плотности теплового потока, от наружной поверхности тушки форели при охлаж-
дении газообразным СО2 окружающей среды -50±2°С.
и температуре
- 2500 Т2250 2000 1750 1500 1250 1000
Таблица 1 - Рекомендованные параметры при охлаждении неразделанной форели газообразным диоксидом углерода
Рисунок 3 - Изменение плотности теплового потока на наружной поверхности тушки форели, при охлаждении газообразным диоксидом углерода, температура в аппарате -50±2°С
В первоначальный момент времени наблюдается увеличение плотности теплового потока до максимального значения с дальнейшим его падением. Это связанно с тем, что в первоначальный момент времени разница температур между тушкой и диоксидом углерода максимальна. Затем происходит процесс равномерного снижения температуры в тушке и теплового потока до 45 минуты. И в заключении процесс стабилизации температуры, связанный с кристаллообразованием в слоях рыбы.
Анализ экспериментальных данных показывает, что среднеинтегральное значение плотности теплового потока от наружной поверхности верхней части тушки составляет
qср =490 Вт/м2, максимальное значение плотности теплового потока от верхней части тушки дтах=2300 Вт/м2.
В первоначальный момент времени наблюдается увеличение плотности теплового потока до максимального значения с дальнейшим его падением. Это связанно с тем, что в первоначальный момент времени разница температур между тушкой и диоксидом углерода максимальна. Затем происходит процесс равномерного снижения температуры в тушке и теплового потока до 45 минуты. И в заключение - процесс стабилизации температуры, связанный с кристаллообразованием в слоях рыбы. Среднеинтегральное значение коэффициента теплоотдачи составило аср = 4,4 Вт/(м2-К), а максимальное его значение атах = 24 Вт/(м2К).
Аналогично были проведены эксперименты с форелью массой от 0,6 до 3 кг с температурой в аппарате -30, -50 и -70 °С результаты представлены в таблице 1.
Температура в камере, (°С) Масса рыбы, (кг) Масса газообразного СО2, (кг) Время холодильной обработки, (мин) Достигаемая среднеобъем-ная тем-ра в тушке, (°С)
30 0,61 0,99 69,2 1,0
0,81 1,30 73,0 1,0
1,06 1,73 77,0 1,0
1,39 2,26 79,8 1,0
1,56 2,54 83,6 1,0
1,82 2,96 94,0 1,0
2,09 3,40 98,5 1,0
2,46 4,01 103,2 1,0
2,68 4,36 110,1 1,0
2,96 4,81 118,0 1,0
50 0,61 1,18 44,0 1,0
0,81 1,56 48,3 1,0
1,06 2,07 52,7 1,0
1,39 2,70 54,6 1,0
1,56 3,04 58,6 1,0
1,82 3,54 64,0 1,0
2,09 4,06 68,8 1,0
2,46 4,79 73,3 1,0
2,68 5,21 80,0 1,0
2,96 5,75 88,0 1,0
70 0,61 1,48 29,1 1,0
0,81 2,00 3,0 1,0
1,06 2,56 37,4 1,0
1,39 3,46 39,6 1,0
1,56 4,17 43,6 1,0
1,82 5,01 49,5 1,0
2,09 5,95 53,1 1,0
2,46 6,95 57,7 1,0
2,68 7,88 65,0 1,0
2,96 9,00 73,3 1,0
Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать однозначное заключение, что при снижении температуры в аппарате происходит уменьшение времени охлаждения рыбы, но при этом увеличивается расход диоксида углерода.
Следующая серия экспериментов была проведена по охлаждению неразделанной форели в аппарате снегообразным диоксидом углерода.
Схема расположения термопар и термограмма процесса охлаждения тушки форели снегообразным СО2 массой 1,862±0,05 кг представлена рисунке 4.
Рисунок 4 - Термограмма процесса охлаждения форели снегообразным диоксидом углерода
™ 2750 2
>2500 17 2250 2000 1750
т,мин
Рисунок 5 - Изменение плотности теплового потока на наружной поверхности тушки форели, при охлаждении снегообразным диоксидом углерода
Время охлаждения рыбы в данном случае сократилось до 26 минут, при расходе снегообразного диоксида углерода 0,331 кг, соответственно произошло снижение расхода диоксида углерода и времени холодильной обработки рыбы в отличие от охлаждения форели газообразным диоксидом углерода.
Анализ полученной термограммы показывает, что процесс охлаждения наружного слоя тушки рыбы происходит более интенсивно, чем в предыдущем случае. В связи с тем, что поверхность рыбы находится в непосредственном контакте с снегообразным СО2, который обладает более высокой теплоемкостью. При этом происходит поверхностного слоя после 6 минуты, затем снижение интенсивности падения температуры в связи с началом процесса фазового перехода.
Охлаждение центральной части тушки происходит также за счет теплопроводности через наружные слои. Процесс аналогичен охлаждению поверхностных слоев, но разница во времени составила в данном случае всего 8 минут.
Охлаждение внутреннего слоя тушки рыбы происходит менее интенсивно, в связи с отсутствием контакта с снегообразным диоксидом углерода, но более интенсивно, чем при охлаждении газообразным СО2 и соответствует теории о распространении температурного поля от поверхности к его центру.
На рисунке 5 показана диаграмма изменения плотности теплового потока, от наружной поверхности тушки форели при охлаждении снегообразным СО2.
Анализ экспериментальных данных показывает, что среднеинтегральное значение плотности теплового потока от наружной поверхности тушки составляет qср =690 Вт/м2, максимальное значение плотности теплового потока от верхней части тушки qmax =2480
Вт/м2, полученные значения плотности теплового потока выше, чем при обработке газообразным СО2 форели, соответственно интенсивность теплообмена при таком методе холодильной обработки выше и соответствует полученным изотермам.
В начале процесса холодильной обработки наблюдается увеличение плотности теплового потока до максимального значения с дальнейшим его интенсивным падением до 8 минуты. Это связано с тем, что в первоначальный момент времени температурный напор между тушкой рыбы и снегообразным диоксидом углерода будет выше, чем при обработки газообразным СО2 и достигает максимального значения. После чего происходит процесс равномерного снижения температуры в тушке и теплового потока, который гораздо выше и интенсивнее до самого окончания процесса охлаждения.
Среднеинтегральное значение коэффициента теплоотдачи составило аср = 6,1
Вт/(м2-К), а максимальное его значение атах= 26 Вт/(м2К).
Аналогично были проведены эксперименты с форелью массой от 0,6 до 3 кг, результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Рекомендованные параметры при охлаждении неразделанной форели снегообразным диоксидом углерода
В таблице 2 представлены результаты холодильной обработки неразделанной форели различной массы снегообразным диоксидом углерода.
При охлаждении рыбы снегообразным диоксидом углерода сокращается его расход, в отличие от способа охлаждения газообразным СО2 из-за более высокой теплоемкости снегообразного диоксида углерода, но при таком способе охлаждения, получая диоксид углерода в снегообразной фазе методом дросселирования жидкой углекислоты, часть диоксида углерода переходит в парообразное состояние и снижает тем самым выход СО2 в твердой фазе. При этом он не удаляется из разработанного нами аппарата, а используется для предварительного охлаждения рыбы, с дальнейшей его рециркуляцией, что позволяет значительно сократить расход СО2. При этом, существенно сокращается
время охлаждения форели, в отличие от способа работы аппарата на газообразном диоксиде углерода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аппарат для холодильной обработки продуктов с рециркуляцией диоксида углерода [Текст]: пат. 2526653 Рос. Федерация: МПК F25D 3/12 F25D 13/06, / Неверов Е.Н., Буянов О.Н., Гринюк А.Н.; заявитель и патентооблада-тель Кем. тех-нол. институт пищевой пром. - №2013120624/13; заявл. 06.05.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл.№ 24.- 7 с. : ил.
2. Неверов Е.Н. Изменение качества рыбы, охлажденной диоксидом углерода / О.Н. Буянов, С.Н. Нечаев // Современные направления теоретических и прикладных исследований 2011: [Текст]: материалы международной науч. - практ. конф. Том 4 / Одесский нац. морской ун.-т.; под ред. А.Г. Шибаева. - Одесса: Черноморье, 2011. -95 с.
3. Неверов Е.Н. Охлаждение форели при двухстороннем отводе теплоты диоксидом углерода / А.И. Бабин; Д.С. Уржумов // Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития [Текст]: материалы международной науч. - практ. конф. Часть 8 / Изд. ТРОО «Бизнес - Наука -Общество» - Тамбов: Изд. ТРОО БНО, 2013. -173 с.
4. Неверов Е.Н. Применение диоксида углерода для холодильной обработки птицы и рыбы [Текст]: моногр. / Е.Н. Неверов, О.Н. Буянов. - Кемерово: КемТИПП, 2013. - 191 с.
5. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов: Учебник. - М.: Пищевая промышленность, 1979. -271 с.
Неверов Евгений Николаевич, к.т.н., доцент каф. «Теплохладотехника», Кемеровского технологического института пищевой промышленности, докторант каф. «Теплохладотехника», neverov42@mail.ru, 89235215385.
Наименование рыбы Масса рыбы, ( кг) Масса снегообразного СО2, (кг) Время холодильной обработки, (мин) Достигаемая среднеобъемная тем-ра в тушке, (°С)
Форель 0,608 0,111 17,88 1,0
0,802 0,146 19,50 1,0
1,064 0,193 21,13 1,0
1,39 0,253 22,21 1,0
1,565 0,284 23,83 1,0
1,82 0,331 26,00 1,0
2,09 0,380 27,63 1,0
2,464 0,448 29,79 1,0
2,682 0,487 32,50 1,0
2,958 0,538 35,75 1,0
