ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Повышение стабильности пива
путем совершенствования работы туннельных пастеризаторов
В.А.Матисон, А.Ю.Бурашников
Московский государственный университет пищевых производств
Управление качеством лежит в основе стратегического развития многих крупных пивоваренных компаний России. Методологический подход, обеспечивающий устойчивый успех предприятия, основан на непрерывном улучшении качества; обновлении ключевых процессов; развитии аналитических методов расчета параметров процессов, влияющих на характеристики качества готовой продукции.
Биологическая стабильность пива во многих случаях обеспечивается обработкой в туннельных оросительных пастеризаторах непрерывного действия. Однако отсутствие объективных данных, описывающих распределение температуры в объеме пива в бутылке,
Параметры подачи жидкости орошения
№ секции Температура орошения, °С Время входа в секцию, с Время выхода из секции, с
1 28 0 276
2 45 276 964
3 60 964 1650
4 55 1650 1980
5 41 1980 2325
6 24 2325 2695
7 17 2695 2904
8 12 2904 3300
не позволяет оптимизировать режим пастеризации, избежать перегрева в некоторых точках и, тем самым, ухудшения качества.
Решение этой задачи может быть осуществлено путем аналитического исследования процесса тепломассообмена при пастеризации пива в бутылках методом орошения. Аналитическое решение задачи приводит к составлению системы дифференциальных уравнений, описывающих температуры в объеме бутылки, направления и величину скоростей потов жидкостей.
Дифференциальные уравнения могут быть записаны в обобщенных криволинейных координатах с целью точного учета изгибов стенки бутылки.
Решение системы дифференциальных уравнений может быть выполнено численным методом. Методом контрольного объема из дифференциальных уравнений были получены конечно-разностные аналоги и построена конечно-разностная сетка по координатам z и г.
Разностные уравнения являются линейными системами большого размера относительно неизвестных значений температур и скоростей потока. Построенная разностная схема абсолютно устойчивая, что позволяет ре-
шать уравнения с большим шагом по времени методом продольно-поперечных прогонок.
Разработанный метод позволил теоретически исследовать картину изменений температурных полей и векторов скоростей потоков жидкостей, происходящих в объеме пива при нагревании-охлаждении бутылки в туннельном оросительном пастеризаторе непрерывного действия.
Исходные данные по изменениям температуры и времени подачи жидкости орошения, приведенные в таблице, взяты по рекомендуемым параметрам для достаточно распространенных пастеризаторов производства Германии.
Геометрические размеры бутылки, а также уровень заполнения соответствуют стандартной бутылке на 0,5 л.
Начальная температура в бутылке Т "8 °С.
нач
На начальном этапе течение в бутылке проходит ряд стадий переходного процесса от неподвижности до характерного квазистационарного течения при нагреве.
Анализ полученных данных показывает, что в начальный период происходит переходный процесс и жидкость в бутылке постепенно переходит в движение. В течение первых 10 с развивается погранслойное восходящее течение вдоль внутренних стенок бутылки. После 20 с течение разбивается на отдельные вихри, а у оси бутылки наблюдается восходящее течение. После 70 с (рис. 1) практически все вихри исчезают, лишь остается течение вверх по бутылке. Почти во всей толще жидкости развивается медленное восходящее однородное течение с постоянной скоростью. Такая квазистационарная картина течения сохраняется на всем протяжении периода нагрева, постепенно уменьшаясь по интенсивности. Минимальная температура
ы р 0.030 ^
гп
р е 0.020 г
|_ О 0.010т
е О г-^ 0.000
II 0.010т
СЕ 0.020
о е р 0.030-
В 0.040 1
е р 0.050 у-
0.060 -
Л
^0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 X
Векторы скоростей
0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 1. Картина температурных полей и векторов скоростей потоков в момент времени 70 с: 1 - 1.687, 2 - 3.344, 3 - 5.000, 4 - 6.656, 5 - 8.313, 6 - 9.969, 7 - 11.626, 8 - 13.282
1.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 X
Векторы скоростей
Рис. 2. Картина температурных полей и векторов скоростей потоков в момент времени 400,02 с: 1 - 19.134, 2 - 21.354, 3 - 23.574, 4 -25.794, 5 - 28.014, 6 - 30.233, 7 - 32.453, 8 - 34.673
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
^ со
*
0.060 0.00 0.02 0.04 0.06
0.12 0.14 0.16 0.18
0.08 0.10
2 X
° Векторы скоростей
Рис. 3. Картина температурных полей и векторов скоростей в период выдержки: 1 - 55.063, 2 - 55.243, 3 - 55.424, 4 - 55.605, 5 - 55.786, 6 - 55.967, 7 - 56.148, 8 - 56.329
0.040 0.030 0.020 0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060
0.00 0.02 0.04 0.06
0.08 0.10 X
0.12 0.14 0.16 0.18
Векторы скоростей Рис. 4. Картина температурных полей и векторов скоростей потоков в период охлаждения: 1 - 29.705, 2 - 30.559, 3 - 31.414, 4 - 32.268, 5 - 33.122, 6 - 33.976, 7 - 34.830, 8 - 35.685
локализуется у дна бутылки, а максимальная - вверху бутылки (рис. 2).
В зоне выдержки (рис. 3) течение в бутылке постепенно прекращается. Период охлаждения характеризуется тем, что течение жидкости в бутылке постепенно изменяет свое направление. Появляется быстрое погранслойное, холодное, нисходящее течение у стенки бутылки и медленное, квазистационарное, однородное по радиусу, восходящее течение в основной толще пива (рис. 4).
Используя разработанную методику
и программное обеспечение можно исследовать температурные поля термической пастеризации пива в бутылке. Изменения средней, а также максимальной и минимальной температур в объеме пива, рассчитанные на основе полученных численных данных, приведены на рис. 5.
Таким образом, проведенное исследование, разработанные методика и компьютерные программы позволяют осуществить моделирование процесса тепловой пастеризации пива в бутылке. Это дает возможность более рациональ-
Рис. 5. Изменение средней, максимальной и минимальной температур в объеме пива в х'--:^ периоды нагрева, выдержки и охлаждения:
500 1000 1500 2000 2500 3000
1 - t , 2 ■ 3 - Г
t
но определить режимы, обеспечивающие биологическую стабильность, качество продукции, ресурсосбережение.
Оборудование для упаковки в модифицированной газовой среде
FORMPACK
Упаковочные линии с узлом У изготовления - ^ контейнеров * „ те рмоформ и нгом
УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ILPR4
107113 г. Москва, ул. Лобачика, д. 17/19
Tel.: 967 1460, Fax: 967 1461,264 5988,
WEB: www.pakman.com.ru, E-mail: info@pakman.com.ru