Моделирование процесса размораживания плодов и ягод в жидких средах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

с основной технологией комбикормов позволяет оптимизировать параметры смежных подсистем технологии, обеспечить повышение технико-экономических показателей и создать реальные перспективы экономии теплоэнергетических ресурсов и улучшения качества готовой продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шевцов A.A., Лыткина Л.И., Шенцова Е.С., Маджи-

дов P.M. Совершенствование теплотехнологических процессов в производстве комбикормов. - Воронеж: ВГТА, 2007. - 188 с.

2. Шевцов A.A., Остриков А.Н., Лыткина Л.И., Сухарев А.И. Повышение эффективности производства комбикормов. -М.: ДеЛи принт, 2005. - 243 с.

3. Экспериментально-статистическая оценка точности и устойчивости теплотехнологической системы производства комбикормов и методологический подход к ее развитию / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, Р.М. Маджидов и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. -№ 2-3. - С. 87-91.

4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксерге-тический анализ и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -288 с.

5. Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. - М.: Химия, 1992. - 208 с.

6. Пат. 2251885 РФ, МКИ7 А 23 К 1/00, А 23 N 17/00. Способ обработки комбикорма для птицы / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина. Е.С. Шенцова и др. // БИПМ. - 2005. -№ 14.

7. Пат. 2328135 РФ, МПК7 А 23 К 1/00. Способ приготовления комбикорма/A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, A.B. Дранников и др. // БИПМ.-2008.-№ 19.

8. Процессы и аппараты пищевых производств. Кн. 1 / А.Н. Остриков, Ю.В. Красовицкий, A.A. Шевцов и др.; Под. ред. А.Н. Острикова. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 704 с.

9. Калнинь И.М., Савицкий А.И., Пустовалов С.Б. Тепловые насосы нового поколения, использующие экологические и безопасные рабочие вещества //Холодильная техника. - 2007. - № 1. -С. 46-50.

Поступила 10.10.08 г.

EXERGETIC ANALYSIS OF TECHNOLOGY OF MIXED FODDERS LEVELED GRANULOMETRIC STRUCTURE

A.A. SHEVTSOV, L.I. LYTKINA, A.V. PONOMARYOV, R.M. MADZHIDOV

Voronezh State Technological Academy,

19, Revolution Avenue, Voronezh, 394000; ph.: (4732) 55-65-11, fax: (4732) 55-37-16, e-mail: [email protected]

By means of the exergetic analysis the estimation of thermodynamic efficiency of technological systems production of mixed fodders on traditional technology and technology with application heat pump plant, in view of a degree of use ofvarious kinds of the energy spent in technological processes proceeding from properties of raw material, the work carried out above system and total quantity of all kinds of the energy involved from the outside is lead. It is shown, that application of the offered combined power systems in a combination to the basic technology has allowed to increase a degree of thermodynamic perfection and to create real prospects in economy of heat power resources and improvement of quality of finished goods.

Key words: exergy, technology of mixed fodders, compressor, ejector.

664.8.037.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗМОРАЖИВАНИЯ ПЛОДОВ И ЯГОД В ЖИДКИХ СРЕДАХ

С.В. ФРОЛОВ, В.Е. КУЦАКОВА, М.И. КРЕМЕНЕВСКАЯ, В.И. ФИЛИППОВ, P.C. НЕЧАЙ

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,

191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9; факс: (812) 571-80-16, электронная почта: [email protected]

Показано, что размораживание плодов и ягод в сиропах приводит к образованию намороженного слоя льда на их поверхности. Предложены расчетные соотношения для расчета времени образования слоя максимальной толщины. Установлено, что намороженный слой может полностью растаять уже после начала дефростации ягоды. Это способствует снижению потерь ценных растворимых компонентов ягод и сохранению их тургора.

Ключевые слова: размораживание плодов, намороженный слой, криоскопическая температура, снижение потерь растворимых компонентов.

Размораживание является последним звеном в сока и растворимых веществ, которые обуславливают

сложной цепи холодильной обработки и хранения пи- пищевую ценность. Поэтому размораживание быстро-

щевых продуктов, поэтому при неудовлетворительном замороженных плодов и ягод часто совмещают с их ку-

его проведении может значительно ухудшиться качест- линарной обработкой.

во пр°дукта, несмогря на соблюдение режимов всех g промышленной практике при замораживании

пРедшествующихтехнологических операций. плодов и ягод широко применяют добавление сахара

Существенным недостатком быстрозамороженной или сиропа, благоприятное влияние которых основано

растительной продукции является ухудшение качества на прекращении доступа кислорода, осмотическом

при размораживании, связанное с потерей клеточного воздействии на ферменты, предотвращении потерь

ароматических веществ и смягчении вкуса плодов и ягод [1].

Цель настоящей работы - моделирование процесса размораживания быстрозамороженных плодов и ягод в жидких средах.

Для изучения влияния состава и свойств жидкой среды на цвет и тургор размороженных ягод исследовали воду и сахарные сиропы с массовой концентрацией от 20% и более. Для расчета криоскопических температур сиропов использовали расчетный метод [2].

После размораживания плодово-ягодного сырья в сиропах возможно его последующее холодильное хранение, продолжительность которого будет зависеть от сохранения качества размороженных ягод. Снижение осмотических потерь влаги и диффузионных потерь натуральных красящих пигментов связано с формированием и последующим таянием слоя льда на поверхности замороженных плодов и ягод.

В качестве объекта исследования использовали ягоды клюквы.

Замороженные ягоды погружали в сироп и выдерживали в течение фиксированного времени, начиная с 1 с и далее с интервалом в 1 с.

В связи с тем, что толщина намороженного слоя Д мала, с достаточной степенью точности она может быть рассчитана по соотношению

Дт

2

4 ти-"р

(1)

где Ат - прирост массы ягоды в жидкой среде за время т, кг; г - радиус ягоды, м; р - плотность льда, кг/м3.

Проведем расчет продолжительности намораживания и толщины намороженного слоя льда. Замороженная ягода, имеющая начальную температуру th, погружается в жидкость с температурой t,. Температура ягоды ниже криоскопической tcrs, и на ее поверхности начинает образовываться слой льда. Поскольку температура жидкости выше криоскопической температуры воды, через некоторое время этот слой начнет таять. Толщина слоя льда мала по сравнению с размерами ягоды, поэтому полагаем, что температура поверхностного слоя по периметру ягоды одинакова и равна криоскопической. Образование слоя льда происходит настолько быстро, что за это время успевает прогреться лишь такой же слой поверхности ягоды, поэтому можно считать ягоду относительно слоя льда полубеско-нечным телом.

а б

Количество теплоты dQ, поглощаемое единицей поверхности ягоды за время с1х:

dQ = qipidA+a(ts —tLrs)d т,

(2)

где А - толщина пленки льда, как функция текущего времени т, м; </, = 3,3 • 10э Дж/кг - удельная теплота кристаллизации льда; р, = = 900 кг/м3 - плотность льда; а - коэффициент теплоотдачи от жидкости к продукту, Вт/(м “ * К).

Первое слагаемое в уравнении (2) - теплота кристаллизации льда, второе - теплота, передаваемая от жидкости к ягоде.

Известно, что при нагревании полубесконечного тела с первым краевым условием на границе подводимая теплота

= (3)

V ят

где Х/, - теплопроводность ягоды, Вт/(м • К); С/, -удельная теплоемкость и плотность, Дж/(кг * К); р/, - удельная теплоемкость и плотность, кг/м3.

Приравнивая выражения (2) и (3) и интегрируя полученное выражение с учетом начального условия Д(0) = 0, получим соотношение для расчета толщины А в любой момент времени т

JhCbPbT (4)

4iPi

4iPi

Видно, что в начальный период размораживания ягоды в жидкости превалирует первое слагаемое, и толщина слоя льда увеличивается. Последующий период характеризуется снижением толщины ледяного слоя, т. е. его таянием.

Таким образом, толщина слоя льда на поверхности ягоды зависит от времени ее нахождения в сиропе, температуры сиропа и начальной температуры ягоды.

Подобным образом можно рассчитать время намораживания максимальной толщины ледяного слоя и его толщину:

t„„. -1,,

\СьРь

д _ (tcrs h) ^b^-bPb

m“ a(í, -tcrs)qipi n

(5)

(6)

На рисунке приведены расчетные и экспериментальные данные толщины намороженного слоя льда в

Время, с

Время, с

Время, с

Время, с

2

m

зависимости от продолжительности нахождения ягоды в сиропе с ?сг„ °С: - 4,2 (а); - 2,8 (б); -1,4 (в). В качестве эталонной жидкости использовалась вода (рисунок, г). С помощью расчетных соотношений (5) и (6) и результатов эксперимента установлено, что намороженный слой максимально возможной толщины образуется в случае использования воды в качестве жидкой среды. Однако в том случае, если сразу после таяния намороженного слоя ягода не будет разморожена, использование охлажденной воды в качестве жидкой среды для размораживания плодов и ягод приведет к интенсификации диффузионных процессов, ввиду значительного концентрационного градиента. Для снижения интенсивности массообменных процессов в качестве жидких сред для размораживания плодово-ягодного сырья исследовали возможность использования сиропов заданного состава.

Рассмотрим вопрос о продолжительности таяния намороженного слоя льда. Из соотношения (4) следует, что продолжительность таяния (Д = 0) весьма незначительна - всего в 3 раза больше, чем продолжительность намораживания. Однако соотношение (4) для расчета времени таяния можно использовать лишь в том случае, когда криоскопическая температура раствора ниже, чем у продукта. В противном случае, как это чаще всего и бывает, продукт начнет оттаивать до того, как намороженная пленка льда растает. В этом случае соотношение (3) неприменимо, поскольку процесс оттаивания теплофизически иной, чем процесс нагревания, и задача должна быть сформулирована следующим образом.

Если криоскопическая температура продукта -сгр ниже, чем криоскопическая температура раствора -сгр < -сгл, то продукт начнет оттаивать тогда, когда температура его поверхности станет выше, чем его криоскопическая температура, что случится раньше, чем корочка льда на его поверхности начнет таять. Полное таяние корочки льда произойдет тогда, когда температура поверхности станет равна криоскопической температуре раствора. Известно [3] соотношение для температуры поверхности , °С, продукта при оттаивании

сгр л

1-1-

1+В1-

Я

1/а

(7)

2—1 Ф

где А'-толщина оттаявшего слоя, м; К - характерный размер тела, м; . оЛ

В1 = —— безразмерное число Био, а - коэффициент теплоотдачи с

поверхности тела, Вт/(м" * °С); X - коэффициент теплопроводности

м V

оттаявшей части тела, Вт/(м • °С), Ф=---безразмерный коэффи-

циент формы; V- объем тела, м3; 5 - площадь поверхности тела, м 2.

Приравнивая выражение (7) криоскопической температуре раствора получим уравнение для опреде-

ления толщины оттаявшего слоя До в тот момент, когда полностью растает намерзший слой льда:

— £

-1„

1-

- = Вь

1-^

я

2—-ф

2- — Ф

(8)

Используя выражение для времени оттаивания слоя заданной толщины Д' [3], можем рассчитать время, необходимое для растаивания ледяной корочки на поверхности продукта то, а также время, необходимое для окончательного оттаивания после стаивания ледяной корочки-именно в это время происходят основные потери антоцианов в продукте:

/ «Л Ф<?РЯ „

1-1-

Ч-л“-сгр) ДМ1/'

Я

1 1- --Г

Я\

1 2( 2Ф-1)

(9)

где д - теплота фазового перехода, Дж/кг; р - плотность тела, кг/м .

Таблица

Параметр ¡СП,, °С

0 -1,4 -2,8 -4,3

е 0,64 0,30 0,084 < 0

А0, мм:

расчетная 9,8 6,7 2,6 0

экспериментальная 10 6 2 0

т0, мин 19 13 2,5 1,5

Для проверки изложенной теории нами были проведены эксперименты по оттаиванию замороженных плодов сливы в сахарных сиропах различной концентрации. Сливы, замороженные при температуре th —21°С помещали в воду или растворы сахарного сиропа с температурой 5,5°С. На поверхности плодов образовывалась ледяная корка толщиной до1,1 мм. Далее плоды выдерживали в растворе до полного исчезновения ледяной корки на поверхности, плоды вынимали из раствора, разрезали и измеряли толщину оттаявшего слоя. Параметры эксперимента следующие [3-5]: характерный размер (половина толщины) плода Я = 0,015 м; X = 0,55 Вт/(м • °С); Ф = 0,37; ^ = 5,5°С; (сгр = -3,5°С; коэффициент теплоотдачи с поверхности продукта (за счет естественной конвекции в жидкой фазе) а = 15 Вт/(м2 • °С); В1 = 0,41.

Общее время размораживания (когда фронт оттаивания доходил до косточки толщиной 4 мм) приведено в таблице.

ЛИТЕРАТУРА

1. Постольски Я., Груда 3. Замораживание пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-сть, 1978. - 606 с.

2. Базарнова Ю.Г. Стабилизирующие смеси с криопро-текторными свойствами. Ч. 2. // Кондитер. производство. - 2005. -g 6.-С. 52-56.

3. Рогов И.А., Куцакова В.Е., Филиппов В.И., Фролов С.В. Консервирование пищевых продуктов холодом (теплофизические основы). - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2002. -184 с.

4. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. -272 с.

5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Атом, 1979. - 416 с.

Поступила 19.12.08 г.

MODEL OF FRUITS AND BERRIES DEFROSTING IN LIQUID MEDIA

S.V. FROLOV, V.E. KUTSAKOVA, M.I. KREMENEVSKAYA, V.I. FILIPPOV, R.S. NECHAY

St. Petersburg State University of Refrigeration and Food Engineering,

9, Lomonosov st., Sankt Peterburg, 191002; fax: (812) 571-80-16, e-mail: [email protected]

The fact that defrosting of fruit and berries in syrup media leads to formation of frozen ice layer on their surface was illustrated. Equations for calculation of the time required for ice layer of maximum thickness formation are offered. It is was determined that the frozen ice layer can holy defrosted after the beginning of berry defrosting. This fact assist to the losses of important soluble constituents decreasing and maintaining of fruit and berry turgor.

Key words: defrosting of fruits, frozen a layer, cryoscopic temperature, decrease in losses of soluble components.

663.551

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДВУХСЕКЦИОННОЙ КОЛОННЕ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЕМКОСТЬЮ

А.И. ФРИДТ

Кубанский государственный технологический университет,

350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected]

Разработана математическая модель периодической ректификации многокомпонентных неидеальных смесей в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью между секциями. Проанализировано влияние на выход пищевого спирта и длительность процесса разделения местоположения промежуточной емкости, флегмового числа, соотношения объемов жидкости в емкости и кубе колонны, а также крепости сырья. Обнаружено наличие оптимальных значений этих параметров, обеспечивающих максимальный выход спирта или минимальное время процесса разделения. Ключевые слова: пищевой спирт, математическое моделирование, периодическая ректификация, двухсекционная колонна.

Для получения пищевого спирта на небольших предприятиях, которые в силу объективных причин не могут организовать непрерывный способ производства, используются установки периодической ректификации. Высокое качество спирта, вырабатываемого на таких установках, может быть обеспечено только при работе ректификационной колонны с большим флег-мовым числом. Это существенно увеличивает время процесса разделения сырья, что приводит к значительным энергозатратам. Поэтому сокращение длительности процесса перегонки является актуальной задачей.

Опыт эксплуатации установок периодического действия [1] свидетельствует, что качество получаемого спирта зависит от содержания в нем головных примесей, представляющих собой легколетучие альдегиды и эфиры. Как показывает расчетная практика [1, 2], область минимального содержания альдегидов и эфиров при разделении этанолсодержащих смесей находится не вверху ректификационной колонны, а в средней ее части. В этой связи целесообразно отбор готового продукта осуществлять не с дистиллятом, а из зоны колонны с минимальным содержанием головных примесей.

При этом, возможно, имеет смысл производить не постоянный отбор спирта, а получать его в емкости большого объема, расположенной в этой зоне. Такая организация процесса периодической ректификации позволит значительно сократить время разделения исходного сырья.

Цель настоящей работы - анализ возможности получения пищевого спирта в периодической двухсекционной колонне с емкостью между секциями и исследование закономерностей этого процесса.

Поставленная задача решалась методом математического моделирования с помощью модели процесса периодической ректификации многокомпонентных неидеальных смесей. В основу модели положена концепция «теоретической тарелки». При разработке модели принято, что мольный расход паровой фазы по высоте колонны постоянен, а расход стекающей вниз жидкой фазы определяется из условия постоянства заданного объема жидкости на тарелке.

С учетом принятых допущений математическое описание процесса включает следующие уравнения.