Изучение влияния характера перемещения тары на стерилизацию рыбных консервов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 676.164

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТАРЫ НА СТЕРИЛИЗАЦИЮ РЫБНЫХ КОНСЕРВОВ

Г. В. Алексеев, Е. И. Верболоз, А. Г. Леу

STUDY OF THE INFLUENCE OF MOVEMENT OF CANS ON CANNED

FISH STERILIZATION

G. V. Alekseev, E. I. Verboloz, A. G. Leu

Известно, что влаготепловая обработка пищевого сырья и полуфабрикатов имеет важное значение при производстве готовой продукции. Такая обработка важна как непосредственно в цепи технологического процесса, так и на некоторых финишных его стадиях. Важную роль в технологической цепи производства рыбных консервов, например, играет стерилизация, так как правильно выбранные способ и режим этого процесса позволяют получить продукт высокого качества. Существуют различные способы и устройства, позволяющие достаточно надежно стерилизовать рыбные консервы. Однако во всем мире общепризнанным и наиболее распространенным остается способ тепловой обработки рыбных консервов непосредственно в таре. Все конструкции аппаратов, предназначенных для проведения тепловой обработки пищевых продуктов с целью уничтожения и инактивации различного рода нежелательных микроорганизмов, делятся на стерилизаторы периодического и непрерывного действия. И те и другие, несмотря на постоянное совершенствование конструкции, обладают целым рядом недостатков, что заставляет разработчиков искать новые варианты проведения тепловой стерилизации, температурных режимов и прочее.

В работе исследованы перемещения упаковочной тары при тепловой обработке консервов, для этого она представлена в виде металлических банок цилиндрической формы, которые помещены в стерилизатор эрлифтного типа. В процессе решения основных уравнений гидродинамики, записанных для такой модели, осуществлен анализ режимов термообработки и показано влияние на нее условий перемещения тары.

Проведенные исследования позволили оценить коэффициенты лобовых

сопротивлений перемещающейся тары. Эта оценка показывает, что значения Cr

обязательно должны уточняться экспериментально, поскольку теоретические оценки не всегда адекватно описывают реальные значения этих величин.

влаготепловая обработка, рыбные консервы, стерилизация, температурные режимы, неравномерность распределения температур, интенсивность естественной циркуляции

It is well-known that wet-heat treatment of food raw material and processed food are very important in manufacturing of finished products. Such processing is important both in the manufacturing process, and at some of it final stages. Sterilization of the

product plays an important role in the production process of canned fish, since the right method and mode of sterilization process allows obtaining high-quality product. There are different ways and equipment ensuring fail-safe sterilization of canned fish. However, the most recognized and the most common method of heat treatment of canned fish is directly in the can. All devices, intended for undertaking heat processing of food products for the purpose of destroying different unfavorable microorganism, are divided into discontinuous and continuous sterilizers. Despite constant improvement of the designs, all of them possess a number of disadvantages, which make the developers search for new options of heat sterilization, temperature conditions etc.

The article examines movements of cans under heat processing of canned food. For this purpose, it is presented in the form of bowl-shaped metal cans which are placed in an air-lift sterilizer. In the process of solution of the main hydrodynamic equations written down for this model, we have done an analysis of heat treatment conditions and the way it is influenced by movement conditions of cans.

The conducted research allowed us to estimate coefficients of frontal drag of moving cans. This estimation shows that values of drag coefficient must be defined more exactly in experiments, because theoretical estimates do not always show real values of these variables.

wet-heat treatment, canned fish, sterilization, temperature conditions, nonuni-formity of temperature, intensity of natural circulation

ВВЕДЕНИЕ

Работа стерилизатора эрлифтного типа предполагает, что нагрев банки до температуры стерилизации и выдержка при этой температуре осуществляются за период перемещения тары от точки ее входа в стерилизатор до точки выхода из него. За это время банка двигается последовательно сначала в нисходящем потоке, а затем - в восходящем. Время пребывания банки в аппарате при этом представляют в виде:

Т = (тнк + Твк + Тн^в + Тв^н )• Z , (1)

где 1нк, 1вк - время пребывания тары в нисходящем или восходящем потоке соответственно, здесь же 1н^в ,Тв^н - время перехода банки из одного канала в другой канал.

Величина Z означает количество пар каналов в аппарате.

Исходя из соотношения 1нк, (1вк ) » ?(1в^н ), время пребывания I с определенной точностью можно принять равным

1 = (1нк +1вк ) • Z .

Довольно просто можно определить, что указанное время будет определяться скоростью движения тары в каждой из пар каналов и длиной самих каналов, которая принимается равной, т.е.

Н Н

т = (т + т ) Ъ = + —^ (2)

и би и би

Таким образом, для установления времени пребывания баики в стерилизаторе необходимо знать скорость движения баики в каждом из каналов.

Следует отметить, что кроме длины каналов важным параметром, определяющим эффективность процесса стерилизации, является частота вращения банки при ее перемещении с донышка на крышку, которую обозначим п .

Указанное вращение банки в рассматриваемом стерилизаторе будет происходить при переходе банки из канала в канал. По-видимому, наиболее предпочтительной частотой будет такая, при которой жидкая фаза внутри банки будет находиться постоянно в движении, т. е. очередной переворот должен осуществляться в момент, когда движение жидкой фазы, вызванное предыдущим переворотом, заканчивается.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследований являлись различные виды металлических банок цилиндрической формы, выступавших в роли упаковочной тары для тепловой обработки консервов. В процессе исследований их помещали в стерилизатор эр-лифтного типа [1,2].

Для анализа режимов термообработки и влияния на нее условий перемещения тары записывали основные уравнения гидродинамики.

Предполагали, что перемещение банки определяется временем тк, которое равно тнк или твк. В том случае, когда тп > тнк , длина канала будет необоснованно занижена, так как очередной переворот уже произошел, а движение жидкости от предыдущего переворота еще не закончилось. Из этого можно сделать вывод о том, что время пребывания банки в канале и время движения жидкости внутри ее должны быть одинаковыми. Условие оптимальной работы аппарата, учитывая эти соображения, будет

тнк(вк) = тп . (3)

Для этого условия можно определить скорости движения банки в восходящем и нисходящем потоках, а также время движения жидкости внутри банки с продуктом.

Предполагая, что в каждый момент времени в рассматриваемом сечении канала будет находиться лишь одна банка, процесс перемещения банок можно представить как процесс перемещения единичной твердой частицы газожидкостной смесью. Такое предположение позволяет рассматривать процесс перемещения банки без учета влияния других банок, находящихся впереди или позади.

Составим баланс сил, действующих на банку и определяющих ее скорость в вертикальном направлении (рис. 1).

Рис. 1. Схема баланса сил, действующих на банку Fig. 1. Diagram of balance of forces acting on a can

На банку, находящуюся в газожидкостном потоке, будут действовать сила тяжести Fq , архимедова сила Fq и сила сопротивления Fr . Баланс сил в этом случае запишется в виде

РЛ ~ Ра - Р = ^ А ° * сИ ' В случае равномерного движения банки вдоль канала получим [3]

(4)

Ра - Ра - Р = 0 .

Или, записав составляющие более подробно: Ра = Кб 'Рсм-Я;

ро = К рб -Я ;

Р = СК-8Ш-Рсм-(Жа-и )2/2 .

Теперь соотношение (5) примет вид

Кб - рсм - Я-Кб ■ рб - Я-с* ■ ^ ■ рсм (жст -иб)72 = 0

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

После дальнейших алгебраических преобразований получим

Уб -q- (Рб -Рсм )= СЯ ■Рсм ■ ио2т ■ Smid/2 .

Поскольку известно, что

рсм =рж (1 — рг )+рг -рг (10)

и, принимая во внимание, что Р ж >>Р г и (1 — ф г) >ф г можно полагать, что

Рг -Фг = 0 ,

тогда

Рсм ^ Рж

(1 —Рг ) ,

(11)

откуда

К • «[р. -(1 ) Р] = С„ РС— -иб)2'^ (12)

или - и. )2 рб-рж (1 ) , (13)

рж (1 )

где —см = — + —г - приведенная скорость смеси.

Таким образом, из выполненных преобразований следует, что скорость движения тары в восходящем газожидкостном потоке определяют геометрические размеры и условную плотность банки. Кроме того, эта характеристика зависит от скорости несущего потока и его газосодержания, а также коэффициента сопротивления банки С^.

В нисходящих каналах банка движется прямотоком в свободной от газовой фазы жидкости [4-6].

Составляя баланс сил, действующих на банку при ее нисходящем движении (по аналогии с предыдущим случаем), получим:

РА - FG + ^ = 0 ;

Кб-рб-Ч - Кб -рж- СК-БП1Ш-Рж Цбн - —ж )2/2 = 0 . (14)

Откуда после ряда преобразований имеем уравнение для расчета и.н .

ц, = —

бн ж с • ^

СЯ

(15)

ЧРж )

Входящий в уравнения (12) и (14) коэффициент сопротивления банки Сд в общем случае является функцией числа Рейнольдса и требует либо теоретического, либо экспериментального определения [7-10].

Приведенная скорость жидкости при рассмотрении кинетических параметров газожидкостных потоков обычно определяется соотношением

—ж = ^ . (16)

Известно, кроме того, что —ж связана с истинной средней скоростью жидкости через объемное газосодержание : Ж

—ж = —^ (17)

Из этого соотношения следует, что для решения поставленной выше задачи достаточно в одном из каналов определить значение приведенной скорости жидкости.

Определению —ж в аппаратах эрлифтного типа посвящено достаточно большое число работ [9-12], в которых показано, что приведенная скорость жидкости находится из основного уравнения циркуляционного контура, предложенного Соколовым В. Н. и Доманским И. В.:

Нк «рж-рсм )-Ч = лРб +лРц. (18)

Более подробно, учитывая влияние рг, получим:

Н к Рж -рсм )рг -я = ДРб + ДРц

(19)

где дрб, др - потери напора в барботажной и циркуляционной трубах, со-

ответственно, Н/м ; Нк - высота канала аппарата, м; рж, рг - плотность жидкости и газа, кг/м3 .

Окончательный вид последнего из записанных уравнений зависит от гидравлического сопротивления эрлифтного аппарата, обусловленного конструкцией элементов его каналов.

Анализ гидравлических сопротивлений эрлифтного аппарата кожухотруб-ного типа при Г = 1 позволил уравнение (19) получить в виде:

ДР = [кц + Явых.ц + Ядп.ц)] ■

рж 'фж 2

(20)

где ДР = н к {рж -рг )рг ■ Я

На основании соотношения (20) для газлифтного кожухотрубного аппарата, имеющего опускные и подъемные трубы одинакового диаметра и работающего на жидкости, по своим физическим свойствам близкой к воде, получена упрощенная зависимость для расчета Шж :

^ = 3,5

/■ N0,125"

Н к-

0,5

где як = 5,1 + 0,03 куляционного контура

Р = 0,925 +

як

Н

кРг у Н

к,б Н кц

(21)

<ц

- общий коэффициент сопротивления цир-

(

9 \0,25 , ч 0,03 / \

2 ^ ( v ^ , (Др л

ян3

рг

■Г"

(22)

V ^ г у

я-н у

где при Г < 1 т = 0,1; при Г > 1 т = 0,3 .

Можно отметить, что уравнение (24) дает хорошую сходимость с экспериментальными данными при

. = 0,3-10-3 ^0,4 = 4-109 4-1018 {ЯН к )

Ар/ -

Рг

= 225 830 Г = 0,23 ^ 2,54

Для расчета кюветного эрлифтного аппарата может быть предложена зави-

симость

ф,. =

2н {ргк -ргц ){1 -ргб )2 Я

як

(23)

где Як =ЯЕк.б + Явых.б + 2^18СР +Ядл.

Аналогичный подход может быть использован для расчета в эр-

лифтном аппарате с внешним циркуляционным контуром:

2

0,5

(^- (z)dz = . (24)

Левая часть уравнения (27), при использовании средних значений газосодержания по высоте аппарата, является аналогом левой части уравнения (26). Значение Як определялось так:

як =

(тдл.б + 3^90° + Ян—в )+Я90° + Яв—н + Ядл.ц . (25)

| V дл.б 1 3Ь90° + Ян—в )+Я90°+Яв—н +

В работе [11] оценена приведенная скорость жидкости в эрлифтном аппарате с внутренним циркуляционном контуром. В основе лежит также уравнение циркуляционного контура, представленное в виде уравнения (20). Коэффициент сопротивления контура складывается из записанных ниже величин:

Як = Ядл.б + ядл.ц + яб—ц + £ ц—. (26)

Было показано, что на Як значительное влияние оказывает величина от-£ /

ношения , где числитель и знаменатель - расстояния концов подъемной

/£кц

трубки. Значения величин: верхней - расстояние до свободной поверхности жидкости и нижней - расстояние до днища.

Выполненные экспериментальные измерения Як показали, что значения этого параметра имеют ярко выраженный минимум. В зависимости от соотноше-

£ /

ния для цилиндрической стенки, разделяющей каналы и имеющей

/£кц

острую, без специальных закруглений, кромку, этот минимум приходится на Г = 0,8 - 1.

Характер зависимости Як от Г подтверждается экспериментом, в котором Г принимало значение 1.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что основное уравнение циркуляционного контура является универсальным и применимым для расчета скорости жидкости в аппаратах эрлифтного типа любой конструкции. Основываясь на этом выводе, составляем уравнение циркуляционного контура для пары каналов стерилизатора эрлифтного типа с учетом перемещения банок по каналам. Схема циркуляционного контура представлена на рис. 2. Канал I реализует нисходящий поток жидкости с распределенными по высоте канала банками, а канал II - восходящий.

При составлении уравнения циркуляционного контура вводили ряд упрощающих допущений:

- считали, что весь газ отделяется в верхней части подъемного канала и не поступает в виде пузырьков в опускной канал, тогда газосодержание в последнем можно принять стремящимся к нулю, т.е. (рт = 0;

- предполагали, что в любой момент времени и в любом сечении каналов находится лишь одна банка, т. е. банки, как и следует из описания работы аппарата, движутся чередой друг за другом на определенном расстоянии, зависящем от частоты загрузки аппарата, и в любой момент будем иметь ив - банок в подъемном канале и ин - банок в опускном.

Рис. 2. Схема циркуляционного контура Fig. 2. Diagram of circulation loop

Вычисление давления в сечении «de» оказалось равным

Ре = Ро +(Нк + h)-рж • q-ЛРн . (27)

Давление в сечении «ef» складывалось из величин:

Рег = Ро +(Н к + К )-Рсм • q + ЛРВ . (28)

Давления в сечении «dl» и «f» равны, если учесть потери при переходе потока из канала I в канал II, т. е.

Рае = Pef +ЛРн^в . (29)

Учитывая ранее записанные выражения, можно подставить значения Pde и Ре/ и получить следующее соотношение:

Ро+(Н к + h )Рж q ЛРн = Ро+(Н к + К, ) •Рсм •q+ЛРв

или после группировки и сокращения окончательно:

(н к + h )-Рж • q^ (н к + К >Ам •q = ЛРН+ЛРв+лрн^в .

ВЫВОДЫ

Анализ полученных результатов и специальной научно-технической литературы показывает, что значения Cr могут быть рассчитаны теоретически для

крайне ограниченного числа случаев, которые касаются в основном тел правильной симметричной (в трех или двух измерениях) формы и в условиях ламинарного обтекания.

Для экспериментального определения коэффициентов лобовых сопротивлений упаковочной тары следует обеспечивать следующие условия, максимально приближенные к условиям составления уравнения циркуляционного контура:

- весь газ отделять в верхней части подъемного канала и не допускать в виде пузырьков в опускной канал;

- в любой момент времени и в любом сечении каналов обеспечить наличие лишь одной банки;

- обеспечить движение друг за другом на определенном расстоянии, зависящем от частоты загрузки аппарата;

- в любой момент времени обеспечить наличие одинакового количества банок: ив - банок в подъемном канале и ин - банок в опускном.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Hale М. В., Brown Т. Fatty acids and lipid classes of three underutilized species and changes due to canning // «Mar. Fish. Rev.». 1983, Vol. 45. - no. 4 - 6. - pp. 45 - 48.

2. Ohshima Т., Wada S. // «Нихон суйсан гаккайси, Bull. Jap. Soc. Sci. Fish». 1986, Vol. 52. - № 6. - P. 1095 - 1102.

3. Leonard S. J. et al. Estimating Thermal Degradation in Processing of Foods / S. J. Leonard, R. L. Merson, G. L. Marsh, L. R. Heil // J. Agric. Food Chem.

1986. Vol. 34. - P. 392 - 396.

4. Nodkarni M. M., Hatton T. A. Optimal Nutrient Retention during the Thermal Processing of Conduction-Heated Canned Foods: Application of the Distributes Minimum Principle // Journal of Food Science. 1985. - Vol. 50. - P. 1312 - 1321.

5. Adams H. W. Class processing in agitated cookers.- Canner Pecker, 1972, № 6.

6. Mouchet М. Evolution de sterilisation J hudrolock.- Jnd. Alim. Etagric., 1967, №84.

7. Ball С. О., Olsen F. C. W. Sterilization food technologi. MeGraw Hill Bok CO.- New York, 1957.

8. Lemlich P. Yndustrial Engineering Chemistry, june, 1965

9. Биденко, М. С. Перспективы развития технологии консервов из объектов океанического промысла / М. С. Биденко, С. А. Артюхова. - Калининград: АтлантНИРО, 1987. - С. 4-10.

10. Блинов, Ю. Г. Изменение коллагена при тепловой обработке мышечной ткани мороженной ставриды / Ю. Г. Блинов. - Владивосток: ТИНРО,

1987. - 6 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ 26.05.87, № 844-рх87.

11. Алексеев, Г. В. Использование математического моделирования для ресурсосберегающих пищевых производств / Г. В. Алексеев, О. И. Аксенова // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер.: Процессы и аппараты пищевых производств. - 2014. - № 3. - С. 1-10.

12. Saguy I., Karel M. Modeling of Quality Deterioration During Food Processing and Storage // Food Technology. 1980. - Vol. 34, no. 2. - P. 78 - 85.

REFERENCES

1. Hale M. V., Brown T. Fatty acids and lipid classes of three underutilized species and changes due to canning. Mar. Fish. Rev. 1983, vol. 45, no. 4-6, pp. 45-48.

2. Ohshima T., Wada S. Nihon sujsan gakkajsi. Bull. Jap. Soc. Sci. Fish. 1986, vol. 52, no. 6, pp. 1095-1102.

3. Leonard S. J., Merson R. L., Marsh G. L., Heil L. R. Estimating Thermal Degra-dation in Processing of Foods. J. Agric. Food Chem. 1986, vol. 34, pp. 392-396.

4. Nodkarni M. M., Hatton T. A. Optimal Nutrient Retention during the Thermal Processing of Conduction-Heated Canned Foods: Application of the Distributes Minimum Principle. Journal of Food Science. 1985, vol. 50, pp. 1312-1321.

5. Adams H. W. Class processing in agitated cookers. Canner Pecker, 1972,

no. 6.

6. Mouchet M. Evolution de sterilisation J hudrolock. Jnd. Alim. Etagric., 1967, no. 84.

7. Ball S. O., Olsen F. C. W. Sterilization food technologi. MeGraw Hill Bok CO. New York, 1957.

8. Lemlich P. Yndustrial Engineering Chemistry, june, 1965.

9. Bidenko M. S., Artjuhova S. A. Perspektivy razvitija tehnologii konser-vov iz ob'ektov okeanicheskogo promysla [Prospects for the development of the technology for canned food out of deep-sea fishery products]. Kaliningrad, AtlantNIRO, 1987, pp. 4-10.

10. Blinov Ju. G. Izmenenie kollagena pri teplovoj obrabotke myshechnoj tkani morozhennoj stavridy [Alteration of collagen under heat treatment of muscle of frozen horse-mackerel]. Vladivostok, TINRO, 1987, 6 p. Dep. v CNIITJelRH 26.05.87, № 844-rh87.

11. Alekseev G. V., Aksenova O. I. Ispol'zovanie matematicheskogo mod-elirovanija dlja resursosberegajushhih pishhevyh proizvodstv [Mathema tical modelling for resource-efficient food productions]. Nauchnyj zhurnal NIU ITMO. Serija „Pro-cessy i apparaty pishhevyh proizvodstv", 2014, no. 3, pp. 1-10.

12. Saguy I., Karel M. Modeling of Quality Deterioration During Food Processing and Storage. Food Technology. 1980, vol. 34, no. 2, pp. 78-85.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Алексеев Геннадий Валентинович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики; доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой процессов и аппаратов пищевых производств; E-mail: [email protected]

Alexeev Gennadiy Valentinovich - Sankt-Petersburg national exploratory university of information technology, mechanical engineering and optics; Doctor of technical sciences, Professor, Head of the department of processes and devices for food production; E-mail: [email protected]

Верболоз Елена Игоревна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики; доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологических машин и оборудования; E-mail: [email protected]

Verboloz Elena Igorevna - Sankt-Petersburg national exploratory university of information technology, mechanical engineering and optics; Doctor of technical sciences, Professor, Head of the department of production machines and equipment;

E-mail: [email protected]

Леу Анна Геннадьевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики; аспирант кафедры процессов и аппаратов пищевых производств; E-mail: [email protected]

Leu Anna Gennadievna - Sankt-Petersburg national exploratory university of information technology, mechanical engineering and optics; graduate student of the department of processes and devices for food production; E-mail: [email protected]