CC BY
3
УДК 621.564
DOI 10.24412/2311-6447-2022-3-262-266
Исследование процесса охлаждения рыбы с применением бинарного льда
Study of the fish cooling process using binary ice
Доцент Е.Г. Степанова, аспирант P.А. Жлобо, студент И.Е. Трофименко
Кубанский государственный технологический университет, кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения, тел.(861) 275-22-79, egs2128@mail.ru
Associate Professor E.G. Stepanova, Graduate Student R.A. Zhlobo, Student I.E. Trofimenko
Kuban State Technological University, chair of Technological Equipment and Life Support Systems, tel. (861) 275-22-79, egs2128@mail.ru
Аннотация. Приводятся данные по добыче и переработке рыбы и морепродуктов в России. Одна из причин сдерживания развития отечественной рыбной отрасли связана с применением устаревшего оборудования для первичной переработки и заморозки морепродуктов. В настоящее время в число инновационных технических разработок входят установки для получения бинарного льда. Приведены преимущества применения бинарных смесей по сравнению с однофазными хладоносителями. Приведены результаты расчета и моделирования работы вакуумно-испарительной установки (ВИУ) для получения бинарного льда с целью охлаждения и заморозки рыбы. По результатам выполнения теплового и конструктивного расчетов ВИУ проведен полный двухфакторный эксперимент. Установлены зависимости массы бинарного льда (у) от начальной температуры тутпки ставриды (х,) и концентрации кристаллов льда в бинарной смеси (xi). Получены уравнения регрессии и построена графическая зависимость вида у = у (хг, хэ )в натуральных и кодированных переменных. Указанные зависимости позволили оценить влияние каждого фактора на функцию отклика. Наиболее сильное влияние оказывает парное взаимодействие, так как он имеет наибольший по абсолютной величине коэффициент у произведения (XiXi). Более сильное влияние на функцию отклика оказывает температура тушки, чем концентрация кристаллов льда в бинарной смеси. Рассчитана холодильная камера для первичной обработки и хранения рыбы производительностью 75 т/сут, установленная в морском порту г. Новороссийск. Расчет выполнен для озонобезопасносного фреона R134a. Приведены план и разрез холодильной камеры с ВИУ, в которой для приготовления бинарной смеси использована очищенная морская вода. Проектируемая холодильная камера рассчитана на заморозку и хранение 230 т морепродуктов с последующей их реализацией на продажу.
Abstract. This article provides data on the extraction and processing of fish and seafood in Russia. One of the reasons for restraining the development of the domestic fishing industiy is associated with the use of outdated equipment for the primary processing and freezing of seafood. Currently, the number of innovative technical developments includes installations for the production of binary ice. The advantages of using binary mixtures in comparison with single-phase coolants are given. The presented study presents the results of calculating and modeling the operation of a vacuum evaporation unit (VU) for obtaining binary ice for the purpose of cooling and freezing fish. Based on the results of the thermal and structural calculations of the VIU, a complete two-factor experiment was conducted. The dependences of the binary ice mass (y) on the initial temperature of the horse mackerel carcass (xl) and the concentration of ice crystals in the binary mixture (x<) are established. Regression equations are obtained and a graphical dependence of the form у = у (xi ;хг ) in natural and encoded variables is constructed. These dependencies allowed us to evaluate the influence of each factor on the response function. The strongest influence is exerted by the pair interaction, since it has the largest coefficient in the absolute value of the product (xi ;xj ). The temperature of the carcass has a stronger influence on the response function than the concentration of ice crystals in the binary mixture. A refrigerating chamber for primary processing and storage of fish with a capacity of 75 tons/day, installed in the seaport of Novorossiysk, has been calculated. The calculation was performed for ozone-safe freon R134a. The plan and section of a refrigeration chamber with a VIU, in which purified seawater is used to prepare a binary mixture, are given. The projected refrigerating chamber is designed for freezing and storing 230 tons of seafood with their subsequent sale.
© Степанова Е.Г., Жлобо P.А., Трофименко И.Е., 2022
Ключевые слова: охлаждение, бинарный лед, вакуумно-испарительная установка, полный факторный эксперимент, моделирование
Keywords: cooling, binary ice, vacuum evaporation plant, full factorial experiment, modeling
Добыча рыбы и различных морепродуктов в России ежегодно увеличивается примерно на 2,5 % и достигла в 2021 г. 4,36 млн т [1]. Около половины от этого количества поставляется в крупные торговые сети в свежем, охлажденном или мороженом виде, а остальное направляется на рыбоконсервные заводы на переработку [2]. Сдерживание развития отечественной рыбной отрасли происходит из-за применения технически устаревшего оборудования, эксплуатируемого на пределе производственных мощностей предприятий. Реконструкция рыбоперерабатывающих за-вадов должна проводиться с применением отечественных инновационных разработок, в число которых входят установки для получения бинарного льда [3].
Бинарный лед (ice slurry) представляет собой двухфазную суспензию, содержащую водный раствор и кристаллы льда [4]. Указанный раствор имеет различные растворимые и нерастворимые примеси, различающиеся физико-химическими и теплофизическими свойствами, экологической безопасностью и энергоаккумулиру-ющей способностью и потому оказывающие различное влияние на процесс теплообмена [5]. Бинарный лед как хладоноситель отличается высокой скоростью охлаждения за счет развитой поверхности теплообмена, создаваемой многочисленными кристаллами льда. При охлаждении двухфазный хладоноситель поддерживает постоянный низкий уровень температуры (не выше 0 °С), что позволяет эффективно применять его в аккумулировании холода. В качестве водного раствора можно использовать очищенную от механических и микробиологических примесей морскую воду. Это позволяет производить бинарный лед для первичной холодильной обработки рыбы вблизи морских портов. Процесс получения такого двухфазного хладоносите-ля сопряжен с повышенными энергозатратами, которые соизмеримы с высоким качеством охлажденного или замороженного продукта.
В исследовании проведен расчет и моделирование работы вакуумно-испарительной установки (ВИУ) для получения бинарного льда в целях его использования для охлаждения рыбы (на примере ставриды). Расчет выполнен по методике, приведенной в [6].
В целях определения параметров ВИУ по данным научной работы [4], проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) по плану 22. В качестве исследуемой величины была взята масса бинарного льда Мбс(кг б.с. /кг), получаемого в ВИУ. Факторы, влияющие на исследуемую функцию: Zi - температура тушки рыбы, °С; Z2 - содержание кристаллов льда в бинарной смеси.
Исходная матрица планирования ПФЭ 22 представлена в табл. 1.
Таблица 1
Номер эксперимента Факторы Исследуемая величина
Zi z¿ У
1 + - 4,20
2 - + 0,46
3 - - 1,50
4 + + 1,00
Для расчета уравнения регрессии, определения влияния каждого фактора и их парного взаимодействия, проверки полученной модели на адекватность используем известную методику [7]. Расчетные данные сведены в табл. 2.
Таблица 2
Факторы Верхний уровень 7,? Нижний уровень Центр Интервал варьирования Л, Зависимость кодированной переменной от натуральной
гг 30 10 20 10 0,33 гг - 10
г2 0,1 0,4 0,25 0,15 1,43 22-0,15
По результатам расчетов получены уравнения регрессии в натуральных и кодированных переменных):
у = 4,11+0,35-^72+1,52-^ у = 0,54+1,06-^+0,81-Х2+4,79-3:1X2
По представленным уравнениям видно, что наиболее сильное влияние оказывает парное взаимодействие, так как оно имеет наибольший по абсолютной величине коэффициент у произведения (х\ -хо). Более сильное влияние на функцию отклика оказывает температура тутттки, чем концентрация кристаллов льда в бинарной смеси. Графическая зависимость у = у (хт, хя) приведена на рис. 1.
На основе выполненных расчетов разработан холодильник рыбного цеха производительностью 75 т/сут, расположенного в г. Новороссийск (рис. 2).
Проектируемый холодильник рассчитан на заморозку и хранение 230 т морепродуктов с последующей реализацией на продажу. На основании требований ведомственных нормативов технологического проектирования предприятий пищевой промышленности холодильная установка проектируется с использованием фреона К 134а. В проектируемой холодильной установке для холодильной обработки рыбной продукции предполагается поддерживать определенный температурный режим -при заморозке и хранении рыбы {кам= -1 °С. Расчет и подбор испарителя и конденсатора холодильной машины выполнен с учетом применения кольцевых турбулиза-торов потоков [8].
О, 54* 1,06*^*0,11 У +4,79**'* —
Рис. 1. Зависимость массы бинарного льда от его концентрации и начальной температуры тушки
Хранение готовой продукции осуществляется до 3 дней, в течение этого срока она должна быть реализована в торговую сеть. В проекте предусмотрено имплемен-тирование вакуумно-испарительной установки по получению бинарного льда, который может быть использован как для внешней обработки продукта, так и для внутренних нужд рыбного цеха. Требуемая производительность ВИУ 400 кг/ч бинарной смеси с 30 %-ным содержанием кристаллов льда.
На основе проведенных тепловых и конструктивных расчетов вакуумно -испарительной установки 400 кг/ч бинарной смеси, а также полученных результатов численного эксперимента разработана холодильная камера на 230 т морепродуктов. Внедрение ВИУ на типовых рыбоперерабатывающих предприятиях позволит значительно увеличить их производственные мощности и получать высококачественную рыбную продукцию.
льдом
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов В. Н. Состояние российского рынка рыбы и морепродуктов // Бюллетень науки и практики. 2022. - Т. 8. №6. - С. 609-612. https:// doi.org/10.33619/2414-2948/79/63
2. Технология рыбы и рыбных продуктов / В. В. Баранов и др. ; под ред. А. М. Ершова. СПб.: ГИОРД, 2006. - 941 с.
3. Калнинь И.М., Маринюк Б.Т., Крысанов К.С. Вакуумно-испарительные холодильные системы // Вестник Международной академии холода. - 2013. - № 1. - С. 34-38.
4. Круглов А.А., Тазитдинов P.P. Методика расчета параметров вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда методом капельной кристаллизации // Вестник Международной академии холода. - 2020. - № 3. - С. 39-43.
5. Миненков В.В., Зимин А.В., Хмельнюк М.Г. Влияние примесей на процессы получения и применения бинарного льда / / Холодильна техшка i тсхнологш. - 2013. - № 4 (144). - С. 24-30.
6. Тазитдинов P.P., Круглов А.А., Юнусов М. Обзор способов расчета процесса замораживания капли в вакууме / / Альманах научных работ молодых ученых XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. - СПб.: Изд-во Ун-та ИТМО, 2018. Т. 4. - С. 101-104.
7. Дрейпер, Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Множественная регрессия = Applied Regression Analysis. М.: Диалектика, 2007. - 912 с.
8. Степанова Е.Г., Трофименко И.Е., Печерица М.А. Расчет процесса охлаждения рыбы с применением бинарного льда / / Здоровьесберегающие технологии, качество и безопасность пищевой продукции.: Сб. статей по материалам Всерос. конф. с междунар. участием. Краснодар, 2021. - С. 97-100.
REFERENCES
1. Smirnov VN State of the Russian market of fish and seafood / / Bulletin of science and practice. 2022. V. 8. No. 6. pp. 609-612. https://doi.org/10.33619/2414-2948/79/63
2. Technology offish and fish products / VV Baranov et al.; ed. A. M. Ershova. St. Petersburg: GIORD, 2006. - 941 p.
3. Kalnin I.M., Marinyuk B.T., Kiysanov K.S. Vacuum-evaporative refrigeration systems // Bulletin of the International Academy of Cold. 2013, No. 1, pp. 34-38 (Russian).
4. Ivruglov A.A., Tazitdinov R.R. Method for calculating the parameters of a vacuum -evaporative installation for obtaining binary ice by drop crystallization / / Bulletin of the International Academy of Cold. 2020, No. 3, pp. 39-43.
5. Minenkov V.V., Zimin A.V., Khmelnyuk M.G. Influence of impurities on the processes of production and application of binary ice / / Kholodilna tehnika i tekhnologiya. 2013, No. 4 (144). pp. 24-30.
6. R. R. Tazitdinov, A. A. Kruglov, and M. Yunusov, Review of Methods for Calculating the Drop Freezing Process in Vacuum. - Almanac of scientific works of young scientists XLVII scientific and educational conference of ITMO University. - 2018, Volume 4, pp. 101-104.
7. Draper, N., Smith G. Applied regression analysis. Multiple Regression = Applied Regression Analysis. Moscow: Dialectics, 3rd ed. 2007. 912 p.
8. Stepanova E.G., Trolimenko I.E., Pecheritsa M.A. Calculation of the fish cooling process using binary ice. - In the collection: Health-saving technologies, quality and safety of food products. Collection of articles based on materials of the Ail-Russian conference with international participation. Krasnodar, 2021. pp. 97-100.
