Результаты исследования массопроводности свиного мяса под воздействием теплового потока и тока электроосмоса Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 664.002.5:640.432

Профессор А.И. Черевко, доцент В.А. Скрыпник

(Харьков. гос. ун-т. питания и торговли) кафедра процессов, аппаратов и автоматизации пищевых производств, тел. 8-10-38-(057)-336-89-79 ассистент А.Г. Фарисеев

(ВНЗ Укоопсоюза «Полтав. ун-т эконом. и торг.») кафедра технологического оборудования пищевых производств и торговли, тел. 8-10-38-(05322)-2-04-01

Результаты исследования массопроводности свиного мяса под воздействием теплового потока и тока электроосмоса

Изучение влияния теплового потока и тока электроосмоса на количественные параметры массопроводности свиного мяса. Обоснование частоты тока электроосмоса при двустороннем жарении свиного мяса в условиях электроосмоса.

Effect of heat flux and electroosmosis on quantitative parameters of mass conductivity pork meat has been studied. Current frequency of electroosmosis with bilateral frying pork under electroosmosis was justified.

Ключевые слова: массопроводность, свиное мясо, тепловой поток, электроосмос, двустороннее жарение

Жарение является одним из самых распространенных способов тепловой обработки пищевых продуктов. Жарению подвергается широкий ассортимент как натуральных, так и рубленых изделий из мяса, рыбы, овощей и теста. Сущность процесса жарения заключается в подведении к продукту теплоты в течение времени, необходимого для прогрева внутренних слоев до температуры 70-90 °С, и нагрева наружного слоя до температуры 115-135 °С, и формирования на его поверхности специфической корочки прожаривания. Наибольшей популярностью среди потребителей пользуются жа-реные изделия из натурального мяса, которые в подавляющем большинстве заведений ресторанного хозяйства доводятся до кулинарной готов -ности с использованием традиционного оборудования, имеющего ряд недостатков: неравномерность температурного поля на поверхности жарения, низкие тепловой коэффициент полезного действия [1], эксергетический и энергетический коэффициенты [2] и большой удельный расход энергоносителя, значительная длительность процесса, и, как следствие, значительные потери массы готового продукта (11-35 %).

В работе [3] авторами предложены возможные пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения оборудования для жарения, одним из которых является использование электроосмоса при двустороннем жарении.

© Черевко А.И., Скрыпник В.А., Фарисеев А.Г., 2013

Целью работы было определение влияния теплового потока и тока электроосмоса на количественные параметры массопроводности свиного мяса для обоснования частоты тока электроосмоса при двустороннем жарении.

Объектом исследований были процессы массопроводности, возникающие в свином мясе под воздействием теплового потока и при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса. Предметом исследования были образцы, изготовленные из длиннейшей мышцы свинины.

Для исследования количественных параметров массопроводности как под воздействием теплового потока, так и под воздействием теплового потока и тока электроосмоса использовалась установка (рисунок 1), выполненная на основе модифицированного устройства Перрена [4].

Опытные образцы изготовлялись из длиннейшей мышцы свинины. Мясо при помощи специальных наставок разрезалось поперек волокон на куски толщиной 0,005 м, 0,01 м, 0,015 м, из которых с помощью заостренного края стеклянного цилиндра 5 вырезались образцы площадью 3,46-10-4 м2, 8,04-10"4м2И 12,62-10"4 М2.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки по определению количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействием теплового потока и тока электроосмоса: 1 - медная пластина (герметичный электрод); 2 - опытный образец мяса, 3 - перфорированный электрод, 4 - прижимное кольцо, 5 - стеклянный цилиндр, 6 - вода, 7 - пробка, 8 - трубка, 9 - мерный капилляр, 10 - ЛАТР, 11 - диодный мостик.

Для исследования процессов массопро-водиости в свином мясе иод влиянием теплового потока опытный образец 2 с температурой 293 К размещался в стеклянном цилиндре 5 вплотную к медной пластине 1 толщиной 0,35-10-3 м и прижимался перфорированной пластиной (электродом) 3 и прижимным кольцом 4 для предотвращения деформации мяса при нагревании. После этого система со стороны прижимного кольца заполнялась водой с температурой 293 К и закрывалась пробкой 7. Через пробку 7 с помощью трубки 8 к системе присоединялся мерный капилляр 9, по шкале которого и определялся объем перенесенного вещества в мясе под действием теплового потока. В качестве источника тепла использовался плоский нагревательный элемент с температурой поверхности 150 °С, который плотно прижимался к медной пластине 1. Все эксперименты по исследованию массопроводности проводились при подведенном тепловом потоке от нагревателя Q = 72 Вт, который поддерживался

постоянным с помощью фазового регулятора напряжений на семисторе ВТА16-600В.

Поскольку при жарении мясных изделий влага, находящаяся в месте контакта с поверхностью жарения, закипает почти мгновенно, за начало отсчета процессов массопроводности в данных исследованиях был взят момент полного ее закипания и начала интенсивного парообразования у медной пластины 1.

Для определения количества перенесен -ного вещества при комбинированном воздей-ствии теплового потока и тока электроосмоса опытные образцы 2 размещались в стеклянном цилиндре 5 между медной пластиной 1 (герметичным электродом) и перфорированным электродом 3 и прижимались прижимным кольцом 4. Заполнение системы водой осуществлялось по указанной выше методике. В качестве источника тока электроосмоса использовалась электрическая сеть напряжением 220 В, которая подавалась через ЛАТР 10 (лабораторный трансформатор с плавной регулированием напряжения) и диодный мостик 11 для преобразования переменного тока в постоянный. Подача напряжения на электроды для обеспечения электроосмоса и, соответственно, отсчет количества перенесенного вещества осуществлялись с момента интенсивного закипания влаги, находящейся у медной пластины 1.

Все эксперименты по исследованию массопроводности осуществлялись во временном диапазоне 0-5 с.

Общее влагосодержание опытных образцов определялось согласно [5] и составило ^ = 0,728 .

В ходе исследований было установлено, что прогрев медной пластины до температуры 107-108 0С, обеспечивающей интенсивное закипание влаги, при тепловом потоке Q = 72 Вт осуществлялся за 15 с. Увеличение или уменьшение величины теплового потока соответственно сокращает или увеличивает продолжительность прогрева пластины.

Согласно полученным результатам исследований (таблица 1), увеличение толщины мяса от 0,005 м до 0,015 м с площадью образцов Бм = 8,04 • 10"4 м2 при воздействии теплового потока приводит к нелинейному уменьшению количества перенесенного вещества как при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра 5, так и при вертикальном его расположении, во временном интервале 1520 с. Графически результаты исследования приведены на рисунке 2, из которых видно, что при длительности воздействия до 15 с происходит прогрев медной пластины 1 до температуры 107 0С, и поэтому процессы массопроводности происходят с небольшой ин-тенсивностью. Начиная с 15 с, с момента полного прогрева пластины и интенсивного закипания влаги у пластины, наблюдается значительное увеличение количества перенесенного вещества в мясе, что, в свою очередь, связано с образованием определенного давления водяного пара со стороны поверхности нагрева.

Таблица 1

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействия теплового потока в зависимости от толщины и времени воздействия

м Количество перенесенного вещества, ¥„ • 106, м3, при продолжительности воздействия т, с

5 10 15 16 17 18 19 20

горизонтальное размещение стеклянного цилиндра

0,005 0,045 0,090 0,135 0,169 0,203 0,237 0,271 0,305

0,010 0,035 0,070 0,105 0,135 0,164 0,194 0,223 0,253

0,015 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200

вертикальное размещение стеклянного цилиндра

0,005 0,036 0,072 0,108 0,135 0,162 0,190 0,217 0,244

0,01 0,028 0,056 0,084 0,108 0,131 0,155 0,178 0,202

0,015 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 0,160

V 106,

м [3

х-

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Рисунок 2 - Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока от толщины продукта и времени воздействия при размещении стеклянного цилиндра:

--горизонтальном;

..... вертикальном.

Характер зависимостей одинаков как при вертикальном, так и при горизонтальном размещении стеклянного цилиндра, но в последнем случае перенос вещества осуществляется в 1,25 раза интенсивнее. Уменьшение количества перенесенного вещества от толщины продукта можно объяснить тем, что при увеличении толщины мяса увеличивается и сопротивление движению вещества в капиллярах, щелях и порах (в дальнейшем - ЩКП) мяса. Влияние способа расположения стеклянного цилиндра объясняется тем, что при вертикальном размещении на вещество в ЩКП мяса дополнительно действует сила тяжести, которая вызывает дополнительное сопротивление переносу вещества. При горизонтальном расположении такие потери отсутствуют.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе Ув под воздействием теплового потока Q = 72 Вт с момента интенсивного закипания жидкости на протяжении 5 с от толщины опытного образца 8М и продолжительности нагрева т при постоянной его площади (Бм = 8,04 -10~4 м2) можно представить в виде уравнения:

V, = К , м3, (1)

где к1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств мяса; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра

к1 = 8,2 • 10~9, при вертикальном его расположении к1 = 6,5 • 10~9 . Эта зависимость приведена на рисунке 3.

4ц, М

Рисунок - 3 Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии постоянного теплового потока от толщины мяса и времени воздействия при расположении стеклянного цилиндра: — - горизонтальном; ..... вертикальном.

Исследования по определению влияния площади опытного образца (использовались образцы толщиной 5М = 0,01 м и площадью

£ „ = 3,46 -10~4 м2,

М , '

8,04 -10~4 м2 и 12,62 -10~4 м2)

на процессы переноса вещества при воздействии теплового потока Q = 72 Вт от нагревателя показали (таблица 2), что количество перенесенного вещества прямо пропорционально зависит от площади опытного образца на протяжении 5 с с момента прогрева медной пластины и начала интенсивного парообразования.

Графически результаты исследований приведены на рисунке 4.

Таблица 2

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока в зависимости от площади опытного образца и продолжительности воздействия

Sм■ 104, м2 Количество перенесенного вещества, ¥„• 106, м3, при продолжительности воздействия т, с

5 10 15 16 17 18 19 20

горизонтальное размещение стеклянного цилиндра

3,46 0,015 0,030 0,045 0,058 0,071 0,083 0,096 0,109

8,04 0,035 0,070 0,105 0,135 0,164 0,194 0,223 0,253

12,62 0,055 0,110 0,165 0,211 0,257 0,304 0,350 0,396

вертикальное размещение стеклянного цилиндра

3,46 0,012 0,024 0,036 0,046 0,057 0,067 0,077 0,087

8,04 0,028 0,056 0,084 0,108 0,131 0,155 0,178 0,202

12,62 0,044 0,088 0,132 0,169 0,206 0,243 0,280 0,317

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

106

м3

Л

Ж ,

/ А . / 1 1 К к 7

и> 1 г

-1 * 1 м V

- _ - - л *

£ X. с

0

5

■ 3,46 м2

10

8,04 м2

15 20

—А— 12,62 м2

-"А-- 12,62 м2 --♦-- 3,46 М2 --«-- 8,04 м2

Рисунок 4 - Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии теплового потока от площади образца и времени воз -действия при расположении стеклянного цилиндра: — - горизонтальном; .....вертикальном.

При воздействии постоянного теплового потока продолжительностью 0-15 с интенсивность процесса переноса вещества находится на достаточно низком уровне, а с момента полного прогрева медной пластины и интенсивного закипания жидкости значительно увеличивается. Способ расположения стеклянного цилиндра оказывает существенное влияние на количество вещества, перенесенного в мясе. Так, при одних и тех же условиях при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра переносится в 1,25 раза больше вещества, чем при его вертикальном расположении.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе под воздействием теплового потока с момента интенсивного закипания жидкости на протяжении 5 с от площади опытного образца и продолжительности воздействия можно представить в виде уравнения:

V = к2 т , м3 , (2)

где к2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств мяса; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра

к2 = 36,692 • 10_6, при вертикальном его расположении к2 = 29,353 -10_6. Эта зависимость приведена на рисунке 5.

Г.-Ю^ы3

ОД-

Л —*

1

X. ^ рТГг" * г У.....

^ГГ. ------- -р

.04

1

г, с

1.2.62

Рисунок 5 - Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе при воздействии постоянного теплового потока от площади мяса и продолжительности нагрева при расположении стеклянного цилиндра:

--горизонтальном;

..... вертикальном.

Исследование влияния величины теплового потока от нагревателя и продолжительности нагрева на количество перенесенного вещества в свином мясе при горизонтальном и вертикальном расположении стеклянного цилиндра проводились с опытными образцами

площадью Sм = 8,04 -10"4 м2 и толщиной 6М = 0,01 м. Результаты исследований приведены в таблице 3 и на рисунке 6.

Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что тепловой поток от нагревателя существенно влияет на количество перенесенного вещества. Увеличение величины теплового потока при нагреве опытных образцов и его продолжительности приводит к прямо про-

порциональному увеличению количества перенесенного вещества.

Аналитически зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя Q и продолжительности нагрева т с момента полного прогрева медной пластины и интенсивного закипания пара при постоянных площади и толщине опытного образца можно представить в виде уравнения:

Ув = къ • Qт, м3, (3)

где к3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств опытного образца; при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра к3 = 40,7 -10~9; при вертикальном его

расположении к3 = 32,6 -10"9. Эта зависимость приведена на рисунке 7.

Таблица 3

Результаты исследования количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя и продолжительности нагрева

Q, Вт Количество перенесенного вещества, У„-106, м3, при продолжительности воздействия т, с

1 2 3 4 5

горизонтальное размещение стеклянного цилиндра

18 0,0074 0,0148 0,0221 0,0295 0,0369

36 0,0148 0,0295 0,0443 0,0590 0,0738

54 0,0221 0,0442 0,0664 0,0885 0,1106

72 0,0295 0,0590 0,0885 0,1180 0,1475

вертикальное размещение стеклянного цилиндра

18 0,0059 0,0118 0,0177 0,0236 0,0295

36 0,0118 0,0236 0,0354 0,0472 0,0590

54 0,0177 0,0354 0,0531 0,0708 0,0885

72 0,0236 0,0472 0,0708 0,0944 0,1180

0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005

Ув- 106, д I3

_______ У.«*

Рисунок 6 - Результаты исследования количества перенесенной вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя, т = 1 с, при расположении стеклянного цилиндра:

-- горизонтальном;

— - вертикальном.

Решение системы уравнений (1-3) в данном диапазоне параметров 5М, т), определяемыми каждым из уравнений (1), (2), (3), позволяет определить количество вещества, перенесенного в свином мясе под воздействием теплового потока нагревателя, которое аналитически может быть выражено в виде зависимости:

V» = кт • Q• -8М-(1-^)т , м3, (4) где: кт - коэффициент массопроводности свиного мяса под воздействием теплового потока нагревателя, м2/(сВт); в данном случае при влажности мяса ^ = 0,728 при горизонтальном расположении стеклянного цилиндра кт = 0,14087 -10 6 м2/(сВт); при вертикальном его расположении кт = 0,11167 • 10 6 м2/ (с Вт).

Рш- Ю®.*5

0.1-

0.05-

36 0, Вт

Рисунок 7 - Зависимость количества перенесенного вещества в свином мясе от величины теплового потока нагревателя и продолжительности нагрева до 5 с с момента полного прогрева медной пластины и начала интенсивного парообразования при расположении стеклянного цилиндра:

- - горизонтальном;

— - вертикальном.

Уравнение (4) с уровнем доверия 0,95 позволяет аппроксимировать полученные экспериментальные данные (таблицы 1-3).

В соответствии с уравнением (4), количество вещества (поток вещества Лт), переносимого через единицу площади 8М в единицу времени т в данном диапазоне параметров зависит от величины теплового потока нагревателя, толщины образца мяса и его влажности:

Л =

У„,

5,.

= кт • Q А

-(1-

м/с.

(5)

Результаты комбинированного воздействия во временном диапазоне 0-20 с теплового потока и тока электроосмоса от площади опыт-

w

ного образца мяса на количество перенесённого вещества приведены в таблице 4 ина рисунке 8.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на протяжении 2 с воздействие теплового потока и тока электроосмоса на количество перенесенного вещества в опытных образцах накладывается друг на друга, что выражается прямопропорциональной зависимостью.

Таблица 5

Результаты исследования количества перенесенного вещества в опытных образцах разной площади при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса

йм ' 104 , м2 Количество перенесенного вещества, ¥„• 106, м3, при продолжительности воздействия г, с

5 10 | 15 16 17 18 19 20

горизонтальное размещение стеклянного цилиндра

3,46 0,015 0,300 0,045 0,110 0,174 0,219 0,263 0,297

8,04 0,350 0,700 0,105 0,255 0,404 0,510 0,610 0,690

12,62 0,550 0,110 0,165 0,399 0,634 0,801 0,957 1,083

вертикальное размещение стеклянного цилиндра

3,46 0,012 0,024 0,036 0,093 0,149 0,181 0,215 0,244

8,04 0,028 0,056 0,084 0,216 0,347 0,420 0,500 0,567

12,62 0,044 0,088 0,132 0,338 0,545 0,659 0,785 0,890

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

V • 1 06

м:

л

О <

А 1, V Vх

т, с

3= 5= г: щлг*

0 5

-♦— 3,46 м2

10 • 8,04 м2

15 20

—А— 12,62 м2

Рисунок 8 - Результаты исследования количества перенесенного вещества в опытных образцах разной площади при комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса при размещении стеклянного цилиндра:

--горизонтальном;

..... вертикальном.

После 2 с комбинированного воздействия характер зависимости меняется на нелинейный, что, очевидно, можно объяснить обезвоживанием слоя мяса, прилегающего к медной пластине (герметичному электроду).

В ранее проведенных исследованиях установлена закономерность переноса вещества в свином мясе под воздействием тока

электроосмоса во временном интервале 0-5 с и диапазоне разницы потенциалов и 0-36 В в виде уравнения:

Кэ = К и • ^т, м3, (6)

где кэ - коэффициент массопроводности мяса под воздействием электрического тока; при влажности мяса (w = 0,728) и горизонтальном расположении стеклянной трубки

кэ = 0,1935 -10~6 м2/(сВ); при вертикальном ее расположении кэ = 0,1741 -10~6 м2/(с В).

Согласно полученным экспериментальным данным, количество перенесенного вещества под комбинированным воздействием теплового потока от нагревателя и тока электроосмоса во временном диапазоне 0-2 с можно выразить уравнением:

V, = Vвm + ¥еэ = кт • б• 5„-д^+ + кэ и • 5„ т =

= (кт • б+ кэ •и.8^)-5М т,м3. (7)

Из уравнения (7) следует, что поток вещества возникающий под комбинированным воздействием теплового потока от нагревателя и тока электроосмоса, во временном диапазоне 0-2 с можно определить из уравнения:

V

3„ =-

■ = кт • б -8-(1-м')+ кэ •и -8-м', м/с (8)

" 5 „-г

м

Из уравнений (7) и (8) следует, что максимум потока вещества и количества перенесенного вещества в свином мясе под комбинированным воздействием теплового потока от нагревателя и тока электроосмоса достигается при времени воздействия 2 с. При двустороннем жарении мяса, соответственно, рациональной будет являться частота тока электроосмоса 0,5 Гц.

В результате проведённых исследова-ний определены количественные параметры массопроводности под воздействием теплового потока от нагревателя и комбинированным воздействием теплового потока от нагревателя и тока электроосмоса; установлены закономерности возникновения потока вещества в свином мясе под воздействием теплового потока от нагревателя и комбинированном воздействии теплового потока и тока электроосмоса; обоснована рациональная частота тока электроосмоса - 0,5 Гц - при двустороннем жарении мяса в условиях электроосмоса.

<becmHUKjBTyWïïï, №4, 2013[

ЛИТЕРАТУРА

REFERENCES

1 Черевко, O.I. Енергетична ефектившсть апарапв для кондуктивного жарения м'яса [Текст] / O.I. Червко, В.О. Скрипник // Прогре-сивш техшка та технолог!! харчових виробництв, ресторанного господарства i торпвлк зб. наук. пр. - 2012. - № 1 (15). - С. 90-100.

2 Черевко, O.I. Ексергетичний анал1з процесу кондуктивного жарения м'яса в апа-ратах перюдично! дп [Текст] / O.I. Черевко, В.О. Скрипник // Прогресивш техшка та технологи харчових виробництв, ресторанного господарства i торпвлк зб. наук. пр. - 2012. -№ 2 (16). - С. 70-84.

3 Черевко, А.И. Возможные направления повышения энергоэффективности и ресурсосбережения процессов кондуктивного жарения мяса [Текст] / А.И. Черевко, В.А. Скрып-ник // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - № 2 (29). - С. 97-102.

4 Волков, В.А. Коллоидная химия. Поверхностные явления и дисперсные системы [Текст] / Волков В.А. - М.: МГТУ им. А Н. Косыгина, 2001. - 640 с.

5 (ISO 1442:1997, IDT) : ДСТУ ISO 1442:2005 М'ясо та м'яст продукта. Метод визначення вмюту вологи (контрольний метод).-К: Держспоживстандарт Украши, 2007. - 9 с.

1 Cherevko, O.I. Energetic efficiency of devices for conductive frying of meat [Text] / O.I. Cherevko, V.O. Skrypnyk // Progressive technique and technology of food productions, restaurant economy and trade: collection of scientific papers. - 2012. - № 1 (15). - P. 90-100.

2 Cherevko, O.I. Exergetic analysis of the process of conductive frying of meat in periodic action apparatuses [Text] / O.I. Cherevko, V.O. Skrypnyk // Progressive technique and technology of food productions, restaurant economy and trade: collection of scientific papers. - 2012. -№ 2 (16). - P. 70-84.

3 Cherevko, O.I. Possible directions of increase energy efficiency and resource saving processes of conductive frying of meat [Text] / O.I. Cherevko, V.O. Skrypnyk // Technique and technology of food productions. - 2013. -№ 2 (29). - P. 97-102.

4 Volkov, V.A. Colloid chemistry. Surface phenomena and disperse systems [Text] / Volkov V.A. - M.: MGTU named after A.N. Kosygin, 2001. - 640 p.

5 (ISO 1442:1997, IDT) : State Standard of Ukraine ISO 1442:2005 Meat and meat products. Method for determination of moisture content (control method). - K.: Derzhspo-zhivstandart of Ukraine, 2007. - 9 p.